A co z fuzją?
Przyjrzenie się szczegółom znacząco studzi optymizm.
Nowy aparat typu tokamak, o bardziej zaawansowanej konstrukcji niż dotychczas znane, ma generować plazmę o temperaturze wyższej niż 200 milionów stopni Celsjusza. Tak powiedział w komunikacie dla mediów Duan Xuru, szef Południowo-Zachodniego Instytutu Fizyki przy Chińskiej Narodowej Korporacji Jądrowej. Urządzenie zapewni wsparcie techniczne dla chińskich prac w projekcie Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termonuklearnego (ITER), jak również budowanie reaktorów syntezy jądrowej.
Chyba więc to jeszcze nie rewolucja energetyczna, choć o skonstruowanym przez Chińczyków reaktorze HL-2M na razie wiadomo niewiele. Nie wiemy, jaka jest przewidywana moc cieplna tego reaktora, a także jakie poziomy energii są wymagane do tego, by rozpocząć w nim reakcję fuzji nuklearnej. Nie wiemy najważniejszego – czy chiński reaktor termonuklearny to konstrukcja o dodatnim bilansie energetycznym, czy po prostu kolejny eksperymentalny reaktor fuzyjny, umożliwiający co prawda przeprowadzenie reakcji syntezy, ale wymagający jednocześnie większych nakładów energetycznych na "zapłon" niż energia, jaką w wyniku reakcji uda się uzyskać.
Międzynarodowy wysiłek
Chiny, razem z Unią Europejską, USA, Indiami, Japonią, Koreą Południową i Rosją, są członkami wspomnianego programu ITER. To najdroższy spośród trwających obecnie międzynarodowych projektów naukowych, finansowany przez wymienione wyżej państwa, którego wartość wynosi ok. 20 mld dolarów. Zainaugurowano go jeszcze w wyniku współpracy rządów Michaiła Gorbaczowa i Ronalda Reagana w erze zimnej wojny, a wiele lat później został włączony do traktatu podpisanego przez wszystkie te kraje w roku 2006.
W ramach projektu ITER powstaje w Cadarache, w południowej Francji (2), największy na świecie tokamak, czyli komora plazmy, która ma być okiełznana potężnym polem magnetycznym, wytwarzanym przez elektromagnesy. Wynalazek ten został opracowany przez Związek Radziecki w latach 50. i 60. XX wieku. Kierownik projektu, Laban Coblentz, zapowiedział, że organizacja powinna osiągnąć "pierwszą plazmę" do grudnia 2025 r. ITER ma każdorazowo podtrzymywać reakcję fuzyjną przez ok. 1 tys. sekund, osiągając moc 500-1100 MW. Dla porównania, największy dotychczas brytyjski tokamak, JET (Joint European Torus), utrzymuje reakcję ledwie przez kilka-kilkanaście sekund i uzyskuje moc do 16 MW. Energia w tym reaktorze będzie wydzielać się w postaci ciepła – nie jest przewidywane przetwarzanie jej na energię elektryczną. Nie ma mowy o dostarczaniu energii syntezy jądrowej do sieci, ponieważ projekt służy wyłącznie celom badawczym. Dopiero na bazie ITER ma powstać przyszła generacja reaktorów fuzyjnych, osiągających moc 3-4 tys. MW.
Głównym powodem, dla którego pracujące normalnie elektrownie syntezy jądrowej wciąż nie istnieją (pomimo ponad sześćdziesięciu lat szeroko zakrojonych i kosztownych badań), jest trudność w kontrolowaniu i "zarządzaniu" zachowaniem się plazmy. Niemniej lata eksperymentów przyniosły wiele cennych spostrzeżeń, a energetyka oparta na syntezie jądrowej wydaje się dziś znacznie bliższa niż kiedykolwiek.
Dodaj helu-3, wymieszaj i podgrzej
ITER to główny nurt światowych badań nad syntezą termojądrową, ale w wielu ośrodkach naukowych, w firmach, a także w laboratoriach militarnych, pracuje się też nad innymi projektami fuzyjnymi, odbiegającymi od klasycznego podejścia.
Przeprowadzone np. w ostatnich latach na MIT eksperymenty z helem-3 w tokamaku dały fascynujące wyniki, w tym dziesięciokrotny wzrost energii jonów plazmy. Naukowcy prowadzący eksperymenty w tokamaku C-Mod w MIT wraz ze specjalistami z Belgii i Wielkiej Brytanii opracowali nowy rodzaj paliwa syntezy jądrowej, zawierając trzy rodzaje jonów. Zespół Alcator C-Mod (3) przeprowadził badania jeszcze we wrześniu 2016 r., ale dopiero niedawno przeanalizowano dane z tych doświadczeń, ujawniając ogromny wzrost energii plazmy. Wyniki były tak zachęcające, że naukowcy prowadzący w Wielkiej Brytanii największe na świecie działające laboratorium syntezy, czyli wspomniany JET, postanowili powtórzyć doświadczenia. Osiągnięto ten sam wzrost energii. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie "Nature Physics".
Kluczem do zwiększenia wydajności paliwa jądrowego było dodanie śladowych ilości helu-3, stabilnego izotopu helu, z jednym neutronem zamiast dwóch. Paliwo jądrowe użyte w metodzie Alcator C zawierało wcześniej tylko dwa rodzaje jonów – deuteru i wodoru. Deuter, stabilny izotop wodoru z neutronem w jądrze (w odróżnieniu od bezneutronowego wodoru), stanowi ok. 95% paliwa. Naukowcy z Centrum Badań Plazmowych i Syntezy Jądrowej (PSFC) MIT zastosowali do zapłonu paliwa jądrowego proces zwany ogrzewaniem w częstotliwościach radiowych. Anteny umieszczone obok tokamaka wykorzystują określoną częstotliwość fal radiowych do pobudzania cząstek, przy czym fale są kalibrowane tak, aby "celować" w jony wodorowe. Ponieważ wodór stanowi niewielki ułamek całkowitej gęstości paliwa, skoncentrowanie się na ogrzewaniu tylko niewielkiej części jonów pozwala osiągnąć ekstremalne poziomy energii. Pobudzone jony wodoru przedostają się następnie do przeważających w mieszance jonów deuteru, a powstałe w ten sposób cząstki trafiają do zewnętrznej powłoki reaktora, generując ciepło.
Skuteczność tego procesu zwiększa się po dodaniu do mieszanki jonów helu-3 w ilości mniejszej niż 1%. Poprzez skoncentrowanie całego ogrzewania radiowego na śladowej ilości helu-3 naukowcy podnieśli energię jonów do poziomu megaelektronowoltów (MeV).
Kto pierwszy ten lepszy
W ciągu ostatnich kilku lat w świecie prac nad kontrolowaną syntezą jądrową wydarzyło się sporo rzeczy, które ożywiły nadzieje naukowców i nas wszystkich na dotarcie wreszcie do "Świętego Graala" energetyki.
Do dobrych sygnałów zaliczane są m.in. odkrycia z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) amerykańskiego Departamentu Energii (DOE). Z dużym powodzeniem wykorzystano tam fale radiowe do znacznego zredukowania tzw. zaburzeń plazmy, co może mieć kluczowe znaczenie w procesie "ujeżdżania" reakcji termojądrowych. Ten sam zespół naukowy w marcu 2019 r. 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 na ścianach reaktora pochłania rozproszone cząstki plazmy, uniemożliwiając ich odbijanie ponownie w kierunku chmury plazmowej i zakłócanie reakcji syntezy.
Uczeni z dużych, szacownych instytucji naukowych stali się wręcz w swoich wypowiedziach ostrożnymi optymistami. Od niedawna widać również ogromny wzrost zainteresowania techniką kontrolowanej syntezy w sektorze prywatnym. Lockheed Martin ogłosił w 2018 r. plan opracowania prototypu kompaktowego reaktora termojądrowego (CFR) w ciągu nadchodzącej dekady. 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 projekty termojądrowe. 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 rozwiązań alternatywnych wobec wielkich reaktorów, nie tylko zresztą tokamaków, ale również tzw. stellaratorów, o nieco innej konstrukcji, budowanych m.in. w Niemczech. Trwają też poszukiwania innego podejścia. Jego przykładem może być urządzenie zwane Z-pinch, zbudowane przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i opisane w jednym z ostatnich numerów czasopisma "Physics World". 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. Demonstracja miała pokazać, że fuzja na małą skalę jest możliwa, choć wielu naukowców ma wciąż co do tego poważne wątpliwości.
Z kolei dzięki wsparciu ze strony Google’a i innych inwestorów zajmujących się zaawansowanymi technologiami, kalifornijska firma TAE Technologies wykorzystuje inną niż typowa dla eksperymentów z syntezą mieszankę paliwa wodorowo-borowego, służącą do opracowania mniejszych, tańszych reaktorów, pierwotnie z myślą o tzw. fuzyjnym napędzie rakietowym. Powstał prototypowy cylindryczny reaktor termojądrowy (4) z wiązkami zderzającymi (CBFR), który nagrzewa gaz wodorowy, tworząc dwa pierścienie plazmy. Są one łączone z wiązkami cząstek obojętnych i utrzymywane w tym stanie, co ma sprzyjać zwiększaniu energii i trwałości plazmy.
Inny startup termojądrowy, pochodząca z kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej firma General Fusion, cieszy się wsparciem samego Jeffa Bezosa. Mówiąc w uproszczeniu, jej koncepcja polega na wprowadzaniu gorącej plazmy do kuli płynnego metalu (mieszanina litu i ołowiu) znajdującej się wewnątrz kuli stalowej, po czym plazma ma być sprężana przez tłoki, podobnie jak w silniku Diesla. Dzięki wytwarzanemu ciśnieniu powinno dojść do fuzji, która wyzwoli ogromną ilość energii napędzającej turbiny nowego typu elektrowni. Mike Delage, prezes ds. technologicznych General Fusion, twierdzi, że komercyjna fuzja jądrowa może zadebiutować na rynku już za dziesięć lat.
Niedawno też Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych złożyła patent na "urządzenie do syntezy plazmy". Patent mówi o polach magnetycznych do wytworzenia "przyspieszonej wibracji" (5). Idea polega na budowaniu reaktorów termojądrowych wystarczająco małych, aby mogły być przenośne. Nie trzeba dodawać, że to zgłoszenie patentowe przyjęte zostało sceptycznie.
Mirosław Usidus
