Kiedy uda nam się stworzyć funkcjonalny reaktor termojądrowy?

Fuzja jądrowa. Kiedy nastąpi przełom?

O przełomie w pracach nad fuzją jądrową słyszymy przynajmniej raz w miesiącu. Komercjalizacja tej technologii nie jest łatwa, chociaż faktycznie zbliżamy się do niej coraz większymi krokami. Kiedy reaktory termojądrowe pojawią się w naszym życiu i jak dokładnie je ułatwią?

Fuzja jądrowa to pomysł na czystą i bezpieczną energię zasilającą nasze domy. Mimo wielu alternatywnych źródeł energii odnawialnej, to właśnie fuzja jądrowa pozostaje „świętym Graalem” energetyki, który wymyka się inżynierom od dekad. Zawsze było jakieś „ale”, choć fizycy coraz skuteczniej radzą sobie z kolejnymi przeciwnościami. Na horyzoncie maluje się wizja stworzenia reaktora termojądrowego o dodatnim bilansie energetycznym. Kiedy się ziści?

Energia jak ze snów

Nieograniczone źródło energii, które nie wytwarza ani gazów cieplarnianych, ani odpadów radioaktywnych. Bezpieczny i „czysty” sposób zasilenia budynków, zarówno mieszkalnych, jak i przemysłowych. Taką obietnicę składają fizycy pracujący nad fuzją jądrową, która to od dziesięcioleci była jedynie mrzonką z powodu niemożliwych do pokonania wyzwań technicznych. Wraz z pojawianiem się nowych materiałów, coraz więcej z nich udaje się rozwiązać. Wszystko wskazuje na to, że faktycznie jesteśmy coraz bliżej stworzenia czegoś na kształt „sztucznego Słońca”.

Czytaj też: Fuzja jądrowa nabiera kształtów. W naśladowaniu gwiazd pomogło użycie złotych stożków

We współczesnych elektrowniach jądrowych wykorzystuje się zjawisko rozszczepienia jądra atomowego w celu wytworzenia energii elektrycznej (w dużym uproszczeniu). Fuzja jądrowa to proces przeciwny, polegający na łączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe (najczęściej wodoru w hel). Jest to ten sam proces, który zachodzi we wnętrzu Słońca. Przezwyciężenie naturalnego odpychania jąder atomowych i utrzymanie odpowiednich warunków do zaistnienia fuzji nie jest łatwe. Co więcej, zrobić to w taki sposób, by wyprodukować więcej energii niż jest zużywane w samej reakcji, do tej pory było niemożliwe.

Być może niedługo to się zmieni. Przez ostatnie lata w dziedzinie fuzji jądrowej poczyniono naprawdę duże postępy. Wiele rządów i firm prywatnych przeznacza spore kwoty na badania nad energią termojądrową. Celem jest osiągnięcie kontrolowanej fuzji jądrowej jeszcze w tej dekadzie, choć fizycy nie mają pewności, czy uda się go zrealizować.

Najambitniejszym projektem badawczym związanym z fuzją jądrową jest ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny), budowany w południowo-wschodniej Francji (w centrum badawczym Cadarache w pobliżu Marsylii). ITER to największy jak dotąd projekt dotyczący fuzji jądrowej. I najtrudniejszy.

Koszt jego budowy to bagatela 22 miliardy dolarów. W całości jest pokrywany przez Unię Europejską, USA, Chiny i Rosję. Ma zostać uruchomiony w 2025 r. (pierwotnie planowano to na rok 2019) i zamienić marzenia o fuzji jądrowej w rzeczywistości. Na bazie ITER ma powstać przyszła generacja reaktorów fuzyjnych osiągających moc 3000–4000 MW.

Naprawić zepsuty świat

ITER to reaktor typu tokamak, który przez wielu jest uważany za najlepszą opcję dla podtrzymania fuzji jądrowej. We wnętrzu tokamaka, gaz (najczęściej deuter – izotop wodoru) jest poddawany intensywnemu ogrzewaniu i ściskaniu, co powoduje wytrącanie elektronów z atomów. Tak powstaje plazma – zjonizowany gaz, który w tokamaku jest utrzymywany przez silne pole magnetyczne. Jest to konieczne, ponieważ żadna substancja na Ziemi nie byłaby w stanie wytrzymać tak wysokiej temperatury (nawet 100 milionów stopni Celsjusza), jaką musi osiągnąć plazma, aby zainicjować proces fuzji. To aż 10 razy więcej niż we wnętrzu Słońca.

Schemat reaktora ITER

Kiedy dochodzi do fuzji i jądra atomowe się łączą, uwalniane są ogromne ilości energii. W elektrowni z reaktorem termojądrowym byłyby one wykorzystywane do produkcji pary wodnej, która napędzałaby turbiny wytwarzające energię elektryczną. Pomysł prosty, ale bardzo praktyczny. Kilka tygodni temu świat obiegła nowina, że w eksperymentalnym tokamaku EAST naukowcom udało się utrzymać rozgrzaną do 70 milionów stopni Celsjusza plazmę przez 17 minut i 36 sekund. To światowy rekord i krok bliżej stworzenia reaktora termojądrowego.

Ściany reaktora ITER mają zostać wyłożone berylem – metalem, który nie zanieczyści plazmy, z którą się zetknie. Jeszcze lepszym pomysłem może być zastosowanie litu, co zostanie sprawdzone w reaktorze National Spherical Torus Experiment – Upgrade (NSTX-U), który powinien zostać uruchomiony jesienią 2022 r.

Czytaj też: Fuzja jądrowa z przełomem? Naukowcy liczą na stworzenie źródła czystej energii

Warto pamiętać, że w kontekście reaktorów termojądrowych, ważne jest użyte paliwo. ITER nie będzie wykorzystywał tylko deuteru, a zmieszanego deuteru z trytem (innym izotopem wodoru). Takie rozwiązanie daje według fizyków największe szanse na uzyskanie większych ilości energii od tych włożonych do reaktora. Deuter może być pozyskiwany z wody morskiej, więc jego zasoby są praktycznie nieograniczone. Gorzej jest z trytem, więc elektrownie termojądrowe będą musiały go wytworzyć w warunkach laboratoryjnych.

Jeżeli wszystko pójdzie zgodnie z planem, reaktory termojądrowe rozświetlą świat swoją energią jeszcze przed 2050 r. Wizja świata napędzanego czystą i bezpieczną energią powinna być dla nas priorytetem, zwłaszcza w kontekście trudnych do cofnięcia zmian klimatycznych.