Jaka jest przyszłość energetyki jądrowej?

Czy fuzja jądrowa nas ocali? Ciemna strona tokamaków

Klasyczne reaktory jądrowe wkrótce odejdą w zapomnienie. Przyszłością energetyki jest fuzja jądrowa, czyli proces, który zasila gwiazdy. Eksperci przewidują, że tokamaki na wiele sposobów zrewolucjonizują nasz świat. Niektórzy jednak wskazują na ich ciemną stronę i fakt, że energii produkować w nich nie będzie się opłacać.

Reaktory jądrowe, kiedyś uważane za najwydajniejsze źródło energii, powoli odchodzą na dalszy plan, spychane przez źródła odnawialne. Jeszcze w tej dekadzie zostaną uruchomione nowe, choć bardzo drogie alternatywy. Mowa o reaktorach fuzji jądrowych, czyli takich, które wykorzystując procesy łączenia, a nie rozpadu pierwiastków, będą produkować niewyobrażalne ilości energii. Wielu ekspertów i naukowców wiąże z nimi ogromne nadzieje, ale są też tacy, którzy wskazują na słabe punkty tych inwestycji. Kto ma rację?

Czym jest fuzja jądrowa?

Synteza jądrowa jest źródłem energii Słońca i gwiazd. W ich jądrach, w warunkach niewyobrażalnej wręcz temperatury i grawitacji, dochodzi do zderzeń jąder wodoru, które łączą się w cięższe atomy helu i uwalniają przy tym ogromne ilości energii.

Zgodnie z naszym rozumieniem procesu syntezy jądrowej, najbardziej wydajną reakcją fuzji w warunkach laboratoryjnych jest reakcja pomiędzy dwoma izotopami wodoru – deuterem (D) i trytem (T). Reakcja fuzji DT daje największy zysk energetyczny przy „najniższych” temperaturach.

Schemat przedstawiający fuzję jądrową

W ekstremalnych temperaturach elektrony są oddzielane od jąder, a gaz staje się plazmą – czwartym stanem skupienia materii. Plazmy fuzyjne stanowią środowisko, w którym lekkie pierwiastki mogą się łączyć i generować energię.

Aby przeprowadzić fuzję w laboratorium muszą być spełnione trzy warunki – bardzo wysoka temperatura: rzędu 150 mln-300 °C; odpowiednia gęstość cząstek plazmy (aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia zderzeń) oraz odpowiedni czas szybkiego zamknięcia plazmy – aby utrzymać ją w określonej objętości. W urządzeniach typu tokamak, silne pola magnetyczne są wykorzystywane do ograniczenia i kontrolowania plazmy.

Czym jest tokamak?

Niezależnie od źródła energii, dzisiejsze elektrownie wytwarzają energię elektryczną poprzez konwersję energii mechanicznej (jak obrót turbiny) na energię elektryczną. W elektrowni parowej zasilanej węglem, w wyniku spalania węgla woda zamienia się w parę, a para z kolei napędza generatory wytwarzające energię elektryczną.

Tokamak to eksperymentalna maszyna zaprojektowana w celu wykorzystania energii pochodzącej z fuzji jądrowej. Energia wytworzona wewnątrz tokamaka jest absorbowana w postaci ciepła przez ściany zbiornika. Podobnie jak w konwencjonalnej elektrowni, elektrownia termojądrowa wykorzystuje to ciepło do produkcji pary, a następnie energii elektrycznej za pomocą turbin i generatorów.

Tokamaka składa się z komory próżniowej w kształcie opony. Wewnątrz, pod wpływem ekstremalnego ciepła i ciśnienia, gazowe paliwo wodorowe zamienia się w plazmę. Naładowane cząstki plazmy mogą być formowane i kontrolowane przez masywne cewki magnetyczne umieszczone wokół zbiornika; fizycy wykorzystują tę ważną właściwość do utrzymania gorącej plazmy z dala od ścian zbiornika. Termin „tokamak” pochodzi od rosyjskiego akronimu oznaczającego „komorę toroidalną z cewkami magnetycznymi”.

Po raz pierwszy opracowany przez radzieckich badaczy w późnych latach 60. ubiegłego wieku, tokamak został przyjęty na całym świecie jako najbardziej obiecująca konfiguracja urządzenia do fuzji magnetycznej.

Czym jest ITER?

ITER („droga” po łacinie) jest jednym z najbardziej ambitnych projektów energetycznych na świecie. ITER jest największym tokamakiem na świecie – dwa razy większym od największego obecnie działającego urządzenia, z dziesięciokrotnie większą objętością komory plazmowej.

W południowej Francji 35 krajów współpracuje nad budową tokamaka, który ma udowodnić, że fuzja jądrowa może być wielkoskalowym i bezemisyjnym źródłem energii. Eksperymenty, które zostaną przeprowadzone w ITER, mają kluczowe znaczenie dla rozwoju nauki o fuzji jądrowej i przygotowania gruntu pod przyszłe elektrownie termojądrowe.

Wizualizacja tokamaka ITER

ITER będzie pierwszym urządzeniem termojądrowym produkującym energię netto. Będzie też pierwszym urządzeniem fuzyjnym, będącym w stanie utrzymać fuzję przez długi czas. Tysiące inżynierów i naukowców przyczyniło się do zaprojektowania ITER-a od czasu, gdy w 1985 r. po raz pierwszy pojawił się pomysł wspólnego międzynarodowego eksperymentu w dziedzinie syntezy jądrowej. Członkowie projektu ITER – Chiny, Unia Europejska, Indie, Japonia, Korea, Rosja i Stany Zjednoczone – prowadzą obecnie trwającą 35 lat współpracę mającą na celu budowę i eksploatację eksperymentalnego urządzenia ITER oraz wspólne doprowadzenie syntezy jądrowej do punktu, w którym możliwe będzie zaprojektowanie demonstracyjnego reaktora termojądrowego.

ITER jest budowany w Saint Paul-lez-Durance w południowej Francji. Pierwsza plazma ma zostać tu podgrzana w grudniu 2025 roku, choć pełną gotowość operacyjną tokamak zyska najwcześniej w 2035 roku.

Droga energia

Fizycy na całym świecie przyjęli koncepcję tokamaka i pracowali z wielkim zaangażowaniem, aby zrozumieć, co dzieje się w towarzyszącej mu gorącej plazmie, jednocześnie zwiększając skalę eksperymentów. Celem było osiągnięcie systemu na tyle dużego, aby w tokamaku można było wyprodukować więcej energii niż potrzeba do ogrzania plazmy.

W ciągu ostatnich sześciu dekad dokonano znacznego postępu, jednak obietnica komercyjnego wykorzystania energii syntezy jądrowej z tokamaków powoli się oddalała. Niektórzy zdawali sobie sprawę z pogarszających się perspektyw komercyjnych, ale większość naukowców po prostu kontynuowała badania i zwiększała rozmiary swoich tokamaków – i zwiększała swoje budżety.

Tu powstaje ITER – koszt jego budowy będzie znacznie wyższy niż zakładano

Obecnie na świecie istnieje kilka dużych eksperymentów związanych z tokamakami, ale bezsprzecznie największy jest ITER. Pierwotnie przewidywano, że ITER będzie kosztował około 5 miliardów $, co można by uznać za rozsądną cenę za taką elektrownię jądrową.

Jednak rzeczywistość zaczęła się zmieniać, a koszty ITER znacznie wzrosły. Obecnie kierownictwo ITER twierdzi, że koszt ITER zamknie się w około 22 miliardach $. Trudno to zweryfikować, ponieważ różne części ITER-a są budowane w różnych miejscach na świecie, a rzeczywiste koszty są trudne do oszacowania. Departament Energii USA, który ma pokryć 9 % całkowitych kosztów ITER-a, oszacował, że rzeczywiste koszty ITER-a są znacznie wyższe i sięgają aż 65 miliardów $!

Czy to się opłaca?

Oszacowano, że nawet przy koszcie 22 mld $, cena ITER byłaby ok. 10 razy wyższa od kosztu elektrowni wykorzystującej technologię rozszczepiania jąder atomów. A przecież te drugie są coraz częściej uważane za „za drogie”, aby można je stosować w różnych miejscach na świecie. Jeżeli koszt ITER wynosiłby faktycznie 65 mld $, byłby ponad 30 razy wyższy od kosztu budowy klasycznej elektrowni jądrowej.

To jednak nie wszystko. Istnieją cztery kombinacje paliw termojądrowych, które mogą być brane pod uwagę przy budowie elektrowni termojądrowej. Najprostsza z nich, ale wcale nie najłatwiejsza do wykonania, polega na stopieniu dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu. Deuter występuje jako niewielki ułamek zwykłej wody, który można łatwo wyekstrahować. Oznacza to, że deuter jest w zasadzie nieskończonym, bardzo tanim paliwem. Z drugiej strony, tryt nie występuje w przyrodzie, więc trzeba go produkować.

Największym źródłem trytu na świecie są reaktory jądrowe w Kanadzie. Połączenie bardzo ograniczonej światowej produkcji trytu i jego utraty w wyniku rozpadu radioaktywnego oznacza, że światowe zasoby tego izotopu są z natury rzeczy ograniczone. Światowe zasoby trytu do większych eksperymentów z syntezą jądrową są ograniczone do tego stopnia, że nie wystarczą do budowy przyszłych pilotażowych elektrowni termojądrowych, nie mówiąc już o komercyjnych reaktorach termojądrowych opartych na cyklu paliwowym deuter-tryt. Innymi słowy, badacze fuzji jądrowej opracowują koncepcję fuzji, dla której na świecie nie będzie wystarczającej ilości paliwa, aby mogła ona funkcjonować.

Taka koncepcja fuzji jądrowej nie ma szans na ekonomiczną akceptację, ponieważ jest zasilana paliwem, którego nie ma w wystarczającej ilości. Jak to możliwe? Eskalacja kosztów następowała tak wolno, że naukowcy tego nie zauważyli. Nie zauważyli tego również kierownicy programu i osoby zaangażowane w jego nadzór. Problem z dostawami trytu wyszedł na jaw, gdy naukowcy byli już na zaawansowanym etapie eksperymentu.

A to jeszcze nie wszystko. Eksperyment ITER, który pochłonie znaczną część światowego trytu, przyniesie ogromne ilości odpadów radioaktywnych. Ich ilość oszacowano na około 30 000 ton. Naukowcy uważają, że nie jest to problem, ponieważ rozpad radioaktywny tych odpadów nastąpi w ciągu około 10 lat, co jest znacznie krótszym okresem czasu niż rozpad odpadów radioaktywnych z klasycznych reaktorów rozszczepieniowych. Odpady z tokamaków nie są tak „straszne”, jak odpady z klasycznych reaktorów termojądrowych.

Przyszłość ludzkości

Patrząc na nasze obecne zapotrzebowanie na energię, fuzja jądrowa to nie możliwość, a konieczność. Wydaje się być to najbardziej opłacalna przyszłość energetyki. Większość współczesnej krytyki wynika z braku odpowiednich rozwiązań – to, że nie mamy ich dzisiaj, nie oznacza, że nie powstaną jutro.

Reaktory fuzyjne są projektowane tak, aby produkowały mniej niż jedną setną odpadów wytwarzanych przez tradycyjne elektrownie atomowe i aby nie wytwarzały izotopów radioaktywnych o długim czasie rozpadu. W reaktorze fuzyjnym nie ma możliwości zajścia niekontrolowanej reakcji, gdyż ilość paliwa, jaka znajduje się w komorze reaktora (poniżej 1 grama deuteru i trytu), wystarcza na podtrzymanie reakcji przez najwyżej minutę. Dla porównania w zwykłych reaktorach ilość paliwa jednorazowo biorącego udział w reakcji wystarcza na jej podtrzymywanie przez kilka miesięcy. Ponadto w razie ewentualnej awarii reaktor fuzyjny ma tendencję do samowygaszenia.

Pchnięcie technologii fuzji jądrowej do przodu wymaga postępu w wielu dziedzinach, choćby opracowania odpowiednich materiałów do budowy tokamaka. Wielu ekspertów ma nadzieję, że zastosowanie fuzji jądrowej na masową skalę powinno udać się jeszcze w pierwszej połowie obecnego stulecia, choć na pewno jesteśmy jeszcze ok. 15-20 lat od tego celu. Rozwijanie projektu ITER, ale także tokamaków z innych części świat, zbliża nas do tego. To bardzo ważny cel – fuzja jądrowa pozwoli na całkowitą rezygnację z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, a w połączeniu z innymi technologiami likwidację zapotrzebowania na ich wydobycie. Musimy do tego dążyć, niezależnie od tego, czy wymaga 30, 50, czy 100 lat badań. Fuzji jądrowej nie można się bać, trzeba w nią wierzyć. Może bowiem pozwolić ludzkości na osiągnięcie tego, co dzisiaj uważamy za „niemożliwe”.