Opanowanie syntezy termojądrowej - czy to już? Święty Graal za rogiem
W ciągu ostatnich miesięcy wydarzyło się w świecie prac nad kontrolowaną syntezą jądrową kilka spraw, które dają naukowcom i nam wszystkim nową nadzieję na dotarcie do Świętego Graala energetyki.
Pierwszym z dobrych sygnałów są odkrycia Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) amerykańskiego Departamentu Energii (DOE). Jego naukowcy z dużym powodzeniem wykorzystali fale radiowe do znacznego zredukowania tzw. zaburzeń plazmy, co może mieć kluczowe znaczenie w procesie kiełznania reakcji termojądrowych.
Ten sam zespół naukowy w marcu tego roku poinformował o eksperymencie Lithium Tokamak, w którym ściany wewnętrzne testowego reaktora pokryto litem, materiałem dobrze znanym z powszechnie stosowanych w elektronice akumulatorów. Naukowcy zauważyli, że wyściółka litowa pochłania rozproszone cząstki plazmy, uniemożliwiając ich ponowne odbijanie w kierunku chmury plazmowej i zakłócanie reakcji syntezy.
Ukazał się też raport panelu naukowców z Narodowej Akademii Nauk USA dla DOE, w którym stwierdzono, że inwestowanie przez kilka następnych dziesięcioleci w technologię termojądrową 200 mln dolarów rocznie może pozwolić przed 2050 r. na zbudowanie opłacalnego ekonomicznie reaktora. Harmonogram ten obejmuje m.in. demonstrację do połowy 2020 r. zysku energetycznego z syntezy (czyli reakcji, która wytwarza więcej energii niż zużywa) oraz budowę do 2030 r. reaktora koncepcyjnego.
Termojądrowe startupy
Uczeni z dużych, szacownych instytucji naukowych są więc ostrożnymi optymistami. Od niedawna widać również ogromny wzrost zainteresowania techniką kontrolowanej syntezy w sektorze prywatnym. Lockheed Martin ogłosił w zeszłym roku plan opracowania w ciągu nadchodzącej dekady prototypu kompaktowego reaktora termojądrowego (CFR).
Jeśli technika, nad którą firma pracuje, zadziała, to urządzenie wielkości ciężarówki będzie w stanie zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej do zaspokojenia potrzeb liczącego 100 tys. mieszkańców miasta.
Do rywalizacji o to, kto zbuduje pierwszy praktyczny reaktor syntezy, dołączają kolejne firmy i ośrodki badawcze, m.in. TAE Technologies i Massachusetts Institute of Technology. Nawet Jeff Bezos z Amazona i Bill Gates z Microsoftu zaangażowali się ostatnio w termojądrowe projekty. NBC News naliczył niedawno w USA siedemnaście mniejszych firm zajmujących się wyłącznie syntezą termojądrową. Startupy takie jak General Fusion czy Commonwealth Fusion Systems stawiają na mniejsze reaktory, oparte na innowacyjnych nadprzewodnikach.
Wciąż nie umarła koncepcja "zimnej fuzji" i alternatywnych wobec wielkich reaktorów rozwiązań. Trwają poszukiwania innego podejścia. Jego przykładem może być urządzenie zwane Z-pinch (1), zbudowane m.in. przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i opisane w jednym z ostatnich numerów czasopisma "Physics World". Działa na podobnej zasadzie, jak każda inna reakcja syntezy jądrowej, ale przeprowadzana jest na stole laboratoryjnym zamiast w gigantycznej instalacji z elektromagnesami.
Z-pinch działa poprzez wychwytywanie i tłoczenie plazmy w potężnym polu magnetycznym. W eksperymencie udało się ustabilizować plazmę na 16 mikrosekund, a przez około jedną trzecią tego czasu zachodziła reakcja syntezy. Doświadczenia z tym urządzeniem mają pokazać, że fuzja na małą skalę jest możliwa, choć wielu naukowców ma co do tego poważne wątpliwości
Słońce w tokamaku
Reakcja syntezy termojądrowej, na której opiera się "działanie" Słońca, to zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe. W wyniku fuzji mogą obok nowych jąder atomowych powstawać wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa (2). W procesie tym dochodzi jednak do utraty części masy, w wyniku czego uwalniają się duże ilości energii, zgodnie z równaniem Einsteina E = mc².
Niewielka ilość utraconej masy (m) pomnożona przez kwadrat prędkości światła (c²) skutkuje bardzo dużą wartością energii powstałej w wyniku reakcji syntezy jądrowej (E). Wydajność energetyczna reakcji syntezy termojądrowej przewyższa wszystkie źródła energii, jakie znamy. Nic dziwnego, że opanowanie jej przebiegu stanowi tak kuszącą perspektywę.
Naukowcy uważają, że najlepsza metoda utrzymania w jednym miejscu plazmy o temperaturze setek milionów stopni wiedzie przez pole magnetyczne. Na tym pomyśle opierają się opracowane w ZSRR tokamaki (3), w których chmura plazmy ma być utrzymywana w toroidalnym kształcie.
Najbardziej znanym istniejącym reaktorem typu tokamak jest międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy ITER, budowany w Cadarache we Francji. W ten wart miliardy dolarów projekt pozostaje zaangażowanych 35 krajów świata - w tym, oprócz Unii Europejskiej, Stany Zjednoczone, Rosja, Chiny, Indie, Japonia i Korea Południowa. Zgodnie z założeniami urządzenie ma do 2050 r. efektywnie produkować energię.
Z projektem ITER powiązany jest także chiński eksperymentalny zaawansowany tokamak nadprzewodnikowy EAST, działający od kilku lat w tamtejszej prowincji Anhui. Chińczycy regularnie informują o kolejnych przełomach w swoich badaniach. W 2017 r. EAST stał się pierwszym na świecie obiektem tego typu, który utrzymywał warunki niezbędne do syntezy jądrowej przez ponad 100 sekund, a w listopadzie ubiegłego roku osiągnął temperaturę 100 mln stopni Celsjusza - sześciokrotnie wyższą od temperatury jądra słonecznego!
- Chiny dążą do zbudowania reaktora termojądrowego, który mógłby do połowy wieku zacząć wytwarzać energię termojądrową w sposób ekonomicznie opłacalny- powiedział w oświadczeniu dla mediów Song Yuntao, zastępca szefa projektu EAST.
Sztuczna inteligencja pilnuje plazmy
Do wielu dziedzin nauki i techniki wkraczają obecnie sztuczna inteligencja i techniki uczenia maszynowego. Nie inaczej jest w dziedzinie badań nad opanowaniem reakcji syntezy termojądrowej.
Uczeni pracują nad wykorzystaniem deep learning ("głębokiego uczenia maszynowego") do przewidywania zakłóceń plazmy w tokamakach. System zastosowany m.in. we wspomnianym PPPL miał dostęp do ogromnych baz danych pochodzących z ośrodków DIII-D National Fusion Facility w Kalifornii oraz Joint European Torus (JET) w Wielkiej Brytanii, największego w tej chwili laboratorium na świecie, zarządzanego przez EUROfusion, Europejskie Konsorcjum na rzecz Rozwoju Energii Termojądrowej.
Ogromne bazy danych uzyskanych z licznych eksperymentów umożliwiły w PPPL wiarygodne przewidywanie zakłóceń w tokamakach. Zastosowane tam oprogramowanie jest w stanie przewidzieć rzeczywiste zakłócenia plazmy w czasie nawet 30 milisekund, a taka szybkość reakcji będzie wymagana w ITER, przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby fałszywych alarmów. System zbliża się do poziomu 95% poprawności wymaganej przez ITER. Przewidywanie zakłóceń plazmy "na żywo" to pierwszy krok. Następnym będzie kontrola zakłóceń i zapobieganie destabilizacji plazmy. Kontrola nad plazmą to właśnie kontrolowana fuzja termojądrowa.
Trudno oczywiście nie przypomnieć, iż obietnica uzyskania niewyczerpanego źródła energii opartego na syntezie termojądrowej zawsze była "odległa już tylko o dekadę lub dwie". Nie możemy jednak przesadzać ze sceptycyzmem, by nie przegapić momentu, w którym rzeczywiście nastąpi epokowy przełom.
