Dlaczego jest tak wiele zapowiedzi budowy reaktorów termojądrowych? Fuzja obietnic

Co mamy myśleć o mnożących się szumnych zapowiedziach budowy reaktorów syntezy termojądrowej? Przecież oficjalnie i naukowo problem opanowania jej jest wciąż nierozwiązany. Buduje się wielkie tokamaki (1) i stellaratory, które nawet jeszcze nie mają produkować energii, tylko raczej dowieść, że da się ją produkować. A tu raz po raz ktoś wyskakuje z nowym projektem…

Jednym z takich dość zaskakujących termojądrowych komunikatów jest zapowiedź firmy TAE Technologies z kwietnia 2021 roku, że jej reaktor, nazwany Norman, może wytworzyć stabilną plazmę o temperaturze ponad 50 milionów stopni Celsjusza w perspektywie około dekady (2). Tak podawał serwis TechCrunch. Tak, nie przesłyszeliśmy się. Ich konstrukcja ma pozwolić na utrzymanie trwałych reakcji fuzji jądrowej do normalnej produkcji energii elektrycznej. Według informacji TechCrunch, plazma w reaktorze Norman osiągnęła temperaturę ponad 50 milionów stopni Celsjusza w kilkuset cyklach testowych w ciągu półtora roku poprzedzającego publikację.

2. Wizualizacja reaktora TAE Technologies

TAE Technologies twierdzi, że pozyskała od inwestorów niemal 900 mln dolarów. Wśród nich jest macierzysta spółka Google Alphabet. Pieniądze zostaną przeznaczone na rozwój reaktora demonstracyjnego o nazwie Copernicus, który ma generować temperatury jeszcze wyższe niż Norman, przekraczające 100 milionów stopni Celsjusza.

Reaktor Norman jest już piątą generacją technologii reaktorowej firmy TAE. Do jego budowy wykorzystano uczenie maszynowe, w tym algorytm Optometrist firmy Alphabet oraz moc obliczeniową dostarczoną przez program INCITE Departamentu Energii USA.

Nazwa reaktora pochodzi od nieżyjącego już Normana Rostokera, który był założycielem TAE Technologies w 1998 roku. Był autorem najważniejszych rozwiązań technicznych stojących za projektem, w tym oryginalnych mechanizmów kontroli mocy, podawania paliwa oraz kontroli próżni. TAE Technologies opracowuje również w pełni zintegrowany system zarządzania energią, który łączy kontroler, konwerter i komponenty baterii w jeden skalowalny moduł mocy.

Firma twierdzi, że jej projekt reaktora liniowego wytwarza gorętszą i bardziej stabilną plazmę niż tokamaki, choćby takie jak budowany we Francji, gigantyczny ITER. Ponadto TAE ma w planach budowę reaktor wodorowo-borowy. Jak na razie jednak, że reaktor Norman wykorzystuje izotopy wodoru tryt i deuter.

Synteza na ciężarówce?

Jeśli chodzi o reaktory oparte na borze, to jak najbardziej można, wręcz trzeba, je zaliczyć do tej zastanawiającej serii alternatywnych wobec głównego nurtu badań inicjatyw. W MT pisaliśmy kilka miesięcy temu o tym, że ogłoszonym przez uczonych z Australii przełom w pracach nad reaktorem opartym na syntezie wodorowo-borowej.

Prace zespołu z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, który proponuje wykorzystanie laserów dużej mocy zamiast podgrzewania paliwa deuterowo-trytowego w ekstremalnie wysokich temperaturach, trwają już od dawna. W 2017 roku cytowaliśmy na łamach MT szefa zespołu Heinricha Horę: "Z punktu widzenia inżynierii nasze podejście będzie o wiele prostsze, a ponieważ paliwa i odpady są bezpieczne, więc reaktor nie będzie potrzebował wymiennika ciepła i generatora z turbinami parowymi, zaś niezbędne lasery można kupić na rynku".

Wodorowo-borowa reakcja fuzji H-11B jest aneutroniczna, czyli nie wymaga działania neutronów, ani ich wytwarzania. Innymi słowy, nie jest radioaktywna. Nie wymaga też radioaktywnego paliwa i nie wytwarza odpadów radioaktywnych. W odróżnieniu od większości innych metod generowania energii, nie są potrzebne wymienniki ciepła, ani też turbiny parowe, fuzja wodorowo-borowa uwalnia energię prawie bezpośrednio w postaci elektryczności. Nie potrzeba skomplikowanych konstrukcji reaktorów, takich jak tokamaki lub stellaratory. Produktem "odpadowym" jest nieszkodliwy hel. Zarówno produkty wejściowe, jak i wyjściowe są nietoksyczne. Zdaniem prof. Heinricha Hory, "reakcja 12 mg paliwa w postaci boru może wytworzyć ponad 1 GJ energii".

W "zwykłym" procesie syntezy używa się silnie ściśniętych jąder deuteru i trytu. Aby wytworzyć wysokie ciśnienie potrzeba bardzo dużo energii. Zastosowanie wodoru i boru powoduje, że nie trzeba paliwa tak mocno "ściskać". Dzięki temu proces potrzebuje znacznie mniej energii do uruchomienia. Jak twierdzi Heinrich Hora, konstrukcja reaktora to przede wszystkim pusta metalowa kula, wyposażona w dwa lasery dużej mocy, w której będzie można umieścić niewielką pastylkę paliwową HB11.

Jeden laser będzie wytwarzał pole magnetyczne powstrzymujące plazmę, a drugi będzie wyzwalał "lawinową" reakcję łańcuchową syntezy. Projekt reaktora nowego typu został przez prof. Horę opatentowany.

Brak zaawansowanych laserów utrzymywał koncepcje profesora Hory i innych uczonych proponujących fuzję wodorowo-borową przez długi czas w sferze rozważań czysto teoretycznych. Sytuacja zmieniła się diametralnie po wynalezieniu w 1985 roku technologii laserowej o nazwie "Chirped Pulse Amplification" (CPA). CPA spełniło wymagania określone przez Horę dla osiągnięcia reakcji HB11. Moc dostępnych laserów od kilkunastu lat wzrasta wykładniczo, zatem osiągnięcie fuzji wodorowo-borowej wydaje się być już blisko, co nie znaczy, że reaktor tego typu powstanie w ciągu roku czy dwóch. Skale czasowe, o których się mówi, to raczej minimum kilkanaście lat.

Warto dodać, że poza Australijczykami od kilku lata dwie firmy, Tri Alpha Energy i LPPFusion, pracują nad mini-reaktorami termojądrowymi, wykorzystującymi jako paliwo mieszankę wodorowo-borową (PB), która nie wytwarza neutronów.

Fuzja jądrowa na mieszance wodorowo-borowej (PB) jest trudniejsza do osiągnięcia niż fuzja deuter-tryt (DT) w tokamakach, bo wymaga o wiele wyższej temperatury. Firma Tri Alpha Energy spodziewa się, że temperatura plazmy w jej reaktorze osiągnie około trzy miliardy stopni Kelvina, czyli ponad dwieście razy więcej niż temperatura w środku Słońca. Firma Tri Alpha Energy i Google do opracowania reaktora fuzyjnego użyje superkomputera o mocy przetwarzania rzędu eksaflopsów i wspomnianego już algorytmu Optometrist, służącego do obliczania procesów stabilizacji plazmy.

3. Ilustracja z patentu firmy Lockheed Martin pokazująca zastosowania niewielkiego reaktora fuzyjnego

Wzrost zainteresowania techniką kontrolowanej syntezy w sektorze prywatnym zaobserwować daje się od około dekady. Za przełom i silny sygnał, że coś ciekawego (i w pewnym sensie dziwnego) dzieje się w tej branży uznać można ogłoszenie w październiku 2014 roku przez koncern Lockheed Martin planu opracowania prototypu kompaktowego reaktora termojądrowego (CFR) w ciągu dekady (czyli do 2024 - już blisko). Lockheed Martin pracuje rozwiązaniem kompaktowym, wielkości ciężarówki, które, jeśli zadziała, mógłby zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej do zaspokojenia potrzeb liczącego 100 tys. mieszkańców miasta (3).

Do rywalizacji o to, kto zbuduje pierwszy praktyczny reaktor syntezy, dołączały kolejne firmy i ośrodki badawcze, m.in. wspominany TAE Technologies, ale także Massachusetts Institute of Technology. Nawet Jeff Bezos z Amazona i Bill Gates z Microsoftu zaangażowali się w projekty termojądrowe. NBC News naliczył kilka lat temu 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.

Co więc począć z tym zaskakującymi projektami małych a czasem dużych reaktorów termojądrowych, które trochę, lub nawet czasem mocno kłócą się z obowiązującą wiedzą na temat prac nad kontrolowaną syntezą jąder? Chyba najlepsza odpowiedzieć to - "zaczekać". Za kilka rat sporo powinno się wyjaśnić, bo autorzy pierwszych z tych szumnych zapowiedzi powinni zacząć demonstrować praktyczne efekty swoich prac.

Mirosław Usidus