Zbudować sztuczne Słońce

Sto lat temu, we wrześniu 1920 roku, na łamach „Nature” ukazał się artykuł Arthura Eddingtona, w którym wybitny brytyjski astronom spekulował na temat nieznanego wówczas źródła energii gwiazd. Bazując na najnowszych danych na temat mas izotopów, uczony trafnie zgadywał, że we wnętrzu Słońca, w warunkach ultrawysokich temperatur i ciśnień, pary jąder wodoru łączą się w sumarycznie lżejsze jądra helu, a różnica mas produktów i substratów tej tzw. reakcji syntezy albo fuzji jądrowej zamienia się w energię zgodnie ze słynnym Einsteinowskim wzorem E = mc². Pod koniec artykułu Eddington pozwolił sobie na marzycielską uwagę: „Marzymy niekiedy, iż ludzkość pewnego dnia nauczy się wykorzystywać tę energię do własnych celów. Jej zapas jest praktycznie niewyczerpany, gdyby tylko uzyskać do niej dostęp…” No właśnie, jak przeprowadzić na Ziemi proces zachodzący we wnętrzu Słońca?

Termojądrowe ABC

Zasadę działania reaktora termojądrowego można streścić następująco: bierzemy mieszaninę deuteru i trytu (izotopy wodoru, które oprócz protonu mają w jądrze, odpowiednio, jeden lub dwa neutrony) i ogrzewamy ją do temperatury, bagatela, kilkudziesięciu milionów stopni Celsjusza, w której zaczyna zachodzić synteza jądrowa. Teraz wystarczy tylko utrzymywać ultragorącą, wodorowo-helową plazmę w ryzach. Część energii wyzwalanej podczas fuzji będzie podtrzymywać reakcję, a resztę można przetworzyć na energię elektryczną. Co bardzo ważne, reaktor termojądrowy jest „czysty” – nie emituje gazów cieplarnianych, nie generuje praktycznie żadnych radioaktywnych odpadów, a dodatkowo z samej swej natury nie może ulec katastrofalnemu stopieniu ani zostać wykorzystanym militarnie. Potrzebne izotopy wodoru można pozyskać z wody morskiej, a powstający w wyniku fuzji hel jest zupełnie niegroźny – można go wykorzystać w medycynie lub do… napełniania baloników.

Oczywiście, od zrozumienia ogólnej zasady działania do jej technicznej realizacji wiedzie bardzo długa droga. Choć pierwszą kontrolowaną fuzję przeprowadzono już w 1958 roku, energetyka termojądrowa wciąż znajduje się w fazie eksperymentalno-prototypowej. Najbardziej zaawansowanym i obiecującym typem reaktora jest tzw. tokamak (skrót od ros. тороидальная камера с магнитными катушками – „toroidalna komora z cewkami magnetycznymi”). Jak sama nazwa wskazuje, plazma przyjmuje w nim kształt zbliżony do torusa (czyli obwarzanka) dzięki odpowiednio wyprofilowanemu, silnemu polu magnetycznemu, które odpowiada również za jej rozgrzanie. Oczywiście, ów „torus ognia” nie może dotykać ścian komory, które nie wytrzymałyby spotkania z plazmą gorętszą niż wnętrze Słońca. Jak zatem odprowadzana jest uwolniona energia? Okazuje się, że w toku fuzji, obok jąder helu powstają także wysokoenergetyczne („szybkie”) neutrony. Cząstki te, jako elektrycznie obojętne, nie zważają na pole magnetyczne i wylatują z „torusa ognia” we wszystkie strony. To one docierają do ścian komory, ogrzewając wodę płynącą w specjalnie poprowadzonych tam kanalikach chłodzących. Ogrzana szybkimi neutronami woda paruje, w związku z czym ostatnim etapem produkcji energii elektrycznej będzie stara, dobra turbina parowa.

ITER znaczy „droga”

Obecnie na świecie prowadzi się badania w ok. 50 tokamakach. Choć da się w nich podtrzymywać kontrolowaną fuzję przez kilka minut, to pochłania ona więcej energii niż może wytworzyć. Jak dotąd, najbliżej do energetycznego „wyjścia na zero” zbliżył się europejski eksperyment JET, który osiągnął moc 16 megawatów z dostarczonych mu 24.

Taki stan rzeczy ma zmienić dopiero ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy), opisywany jako największy (i najdroższy) projekt naukowo-technologiczny kiedykolwiek podjęty przez ludzkość. Ten budowany we Francji tokamak jest wspólnym projektem zrzeszającym 35 krajów, który po ukończeniu w 2025 roku i dalszej dekadzie (!) testów ma być w stanie generować nawet 10 razy więcej energii niż mu się dostarczy, a także podtrzymywać syntezę jądrową w plazmie przez kilkanaście minut. ITER wciąż jednak nie będzie elektrownią, lecz urządzeniem stricte badawczym. Zgodnie z łacińskim znaczeniem słowa iter, ma on być „drogą” do przyszłych komercyjnych reaktorów termojądrowych, które mają powstać za około… 30 lat. Przywołany we wstępie stary slogan pozostaje więc aktualny.

Wśród badaczy nie gasną jednak nadzieje. Własny potężny tokamak kończą budować Chiny, a w niemieckim Greifswaldzie od kilku lat doskonale sprawdza się reaktor testowy Wendelstein 7-X, który reprezentuje alternatywny wobec tokamaków typ „sztucznego Słońca” zwany stellaratorem. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, już w przyszłym roku tuż za naszą zachodnią granicą będą prowadzone nawet półgodzinne sesje kontrolowanej fuzji jądrowej.

Wyścig z czasem

Mimo olbrzymiego postępu, jaki dokonał się w energetyce termojądrowej w ostatnich dekadach, wciąż może się okazać, że marzenia Eddingtona nie uda się ziścić. ITER już kilkukrotnie padał ofiarą opóźnień, a jego koszt, szacowany obecnie na 22 miliardy euro, zapewne jeszcze wzrośnie. Przed fizykami i inżynierami piętrzą się niezliczone przeszkody koncepcyjne i konstrukcyjne. Wcale nie ma pewności, że uda się osiągnąć założony dziesięciokrotny zysk energetyczny, ani że uda się utrzymać plazmę i szybkie neutrony w ryzach. Ponadto, krytycy zwracają uwagę na gigantyczny ślad węglowy i wodny związany z budową, użytkowaniem, a wreszcie demontażem eksperymentalnych reaktorów.

Zwolennicy energetyki termojądrowej przekonują, że koszty finansowe i środowiskowe związane z jej rozwojem zwrócą się z nawiązką, gdy w końcu opanujemy fuzję. Problem polega jednak na tym, że według nawet ostrożnych prognoz klimatologów, po prostu nie mamy na to czasu. Sprawna transformacja energetyczna musi się zacząć już teraz, i nawet jeśli ostatecznie nasz świat zasili synteza termojądrowa, to będzie to świat zdekarbonizowany (oby!) innymi metodami.

TOMASZ MILLER

Nauka na żywo II: wielkie debaty – zadanie finansowane w ramach umowy 761/P-DUN/2019 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę.

Więcej na temat elektrowni termojądrowych w wykładzie dr Marcina Jakubowskiego: