Fuzja jądrowa to już nie bajania naukowców, ale realna alternatywa dla paliw kopalnych. Pytanie tylko kiedy

Dwa duże przełomy w krótkim odstępie czasu rozbudziły nadzieje na to, że już niedługo ludzkość wejdzie w zupełnie nową erę pozyskiwania taniej i czystej energii. A jak jest naprawdę?

Masowe wymieranie gatunków. Degradacja środowiska naturalnego. Urbanizacja kosztem zwierzęcych siedlisk. Intensywna i nieodpowiedzialna eksploatacja paliw kopalnych. Nadmiar dwutlenku węgla, metanu oraz innych gazów podgrzewających i zatruwających atmosferę. Liczne anomalie pogodowe, w tym rekordowe upały. Coraz cieplejsze oceany i topniejące lodowce. To tylko pierwszy z brzegu zestaw problemów nieodłącznie związanych z impasem, w jakim znalazła się nasza cywilizacja – z jednej strony zafiksowana na punkcie dalszego rozwoju rozumianego przez wzrost i ekspansję, z drugiej stojąca przed koniecznością dokonania istotnych globalnych zmian w dotychczasowym modelu pozyskiwania energii i zarządzania nią. Tym bardziej, że obok niezaprzeczalnych szkód wyrządzanych środowisku, wykluczenie energetyczne to niebezpieczne narzędzie polityczne, o czym drastycznie przypomniała nam napaść Rosji na Ukrainę, a z czym na co dzień zmagają się mieszkańcy najbiedniejszych regionów świata. Na szczęście, dzięki dwóm ogromnym sukcesom naukowym z ostatnich tygodni, pojawiło się światełko w tunelu. A jest nim… fuzja jądrowa, która, jeśli wszystko pójdzie dobrze, w przyszłości może dać ludzkości czystą energię w ilości mocno odciążającej planetę, ale też możliwą do prostego dostarczenia w każdy zakątek globu. I, nie, to nie jest żart.

1 kg paliwa z fuzji da tyle energii, co 10 mln (!) kg ze standardowych surowców, takich jak ropa.

Czym jest fuzja jądrowa i o co właściwie tyle zachodu?

Fuzja jądrowa to proces, który bierze swój początek z połączenia atomów. Mowa tu o izotopach wodoru (co istotne pierwiastka bardzo łatwo w tych formach dostępnego): deuterze i trycie. To właśnie w trakcie ich syntezy wytwarza się energia: jądra bazowo odpychają się, dlatego, by doszło do zderzenia, trzeba je jakoś do siebie ‘docisnąć’.

Schemat fuzji jądrowej, fot. thematerialsworld

Są na to dwie metody: pierwsza to oddziaływanie potężnymi magnesami (temperatura tak powstałej plazmy oscyluje często nawet w okolicach 150 mln stopni Celsjusza, przez co ta zniszczyłaby dowolny materiał, z którym miałaby bezpośrednią styczność). Druga – nakierowanie intensywnej wiązki laserowej o sile, bagatela, ok. 500 terawatów (to tysiąc razy więcej niż zużycie mocy w całych Stanach Zjednoczonych w dowolnym momencie). W efekcie, rozgrzany do tej temperatury gaz w nowej formie staje się nośnikiem ogromnej energii. Jak dużej? Z jednego kilograma paliwa powstałego w oparciu o fuzję jądrową możemy otrzymać moc porównywalną z wykorzystaniem 10 mln (!) kg standardowych surowców jak ropa. Co istotne: bez śladu węglowego, bez radioaktywnych odpadów, bez bycia zdanym na przychylność aury (panele fotowoltaiczne czy elektrownie wiatrowe) i z perspektywami na dostarczenie tak wydestylowanej energii w dowolne miejsce na świecie.

To właśnie ten proces samoistnie napędza Słońce, a by móc zrealizować go na Ziemi, trzeba operować na temperaturach znacznie, bo nawet 10-krotnie, wyższych niż ta panująca w naszej centralnej gwieździe (w środku ok. 14 mln stopni Celsjusza).

I choć brzmi to jak science fiction, wydaje się, że ludzkość, z pełną świadomością szans i perspektyw, jakie się za tym kryją, kroczek po kroczku zmierza w kierunku pozyskiwania energii właśnie w ten sposób. O całym procesie bardzo ciekawie opowiedział jeden z najlepszych krajowych specjalistów w tym temacie, dr Marcin Jakubowski, fizyk plazmy z instytutu Maxa Plancka. Z poniższego materiału wideo dowiecie się niemal wszystkiego o technicznej stronie fuzji jądrowej – od mechaniki działania reaktorów i warunków w nich panujących, aż po niuanse związane z ich realnymi możliwościami. Polecamy!

Intryguje już zresztą sam widok pracującego tokamaku (kluczowego urządzenia, w którym przeprowadza się takie reakcje) przypominający obrazki z kosmicznych wojaży dowolnych z Waszych ulubionych bohaterów.

Chiny i USA, czyli Tama... Dwóch Przełomów.

Czas przełomów

Prace nad fuzją jądrową trwają od lat 50. Tymczasem w ciągu ostatnich kilkudziesięciu dni miały miejsca dwa przełomy, które w kontekście takiej perspektywy czasowej trzeba bardzo docenić. Pierwszy – w Kalifornii w Narodowym Laboratorium Lawrence’a w Livermore na urządzeniu National Ignition Facility. To właśnie tam po raz pierwszy w historii udało się uzyskać dodatni bilans energetyczny z fuzji jądrowej. Eksplozję wywołano przy wykorzystaniu laserów o mocy 2,05 megadżula, zaś reakcja ‘oddała’ w efekcie aż 3,15 megadżula. Wyjście na plus z pozyskaną energią netto to wydarzenie bez precedensu, o które różni naukowcy walczyli przez dekady, gdyż uzyskanie nadwyżki (na tle ogromnej mocy wejściowej, która jest uprzednio niezbędna do wygenerowania energii zwrotnej) stanowiło póki co problem nie do przeskoczenia. Teraz wiemy już, że to możliwe i to ze sporym zapasem, a także, że metodologia wdrażana przez badaczy, by stworzyć technologiczne środowisko umożliwiające przeniesienie na Ziemię procesów dziejących się w gwiazdach jest (najprawdopodobniej) prawidłowa.

Drugi przełom, który przy fenomenalnym sukcesie Amerykanów przeszedł nieco niezauważony, miał miejsce w Chinach. Naukowcy pracujący przy Experimental Advanced Superconducting Tokamak w chińskim Hefei ogłosili, że odkryli nigdy wcześniej nie widziany tryb aktywności plazmy, który może prowadzić do bardziej stabilnego i efektywnego generowania energii z syntezy jądrowej. Chodzi tutaj o tzw. wysokie uwięzienie energetyczne, zarówno w głębokiej plazmie, jak i na jej krawędzi przy oddziaływaniu magnetycznym. Przekłada się to na zmniejszenie strat ciepła na brzegach plazmy, a co za tym idzie otwiera szerokie perspektywy przed utrzymywaniem go na dłużej i poprzez rozciągnięte w czasie impulsy (nawet ponad 1000 sekund). Odległym i długoterminowym planem jest przecież wykorzystanie takiej energii w elektrowniach, a do tego potrzebne są sposoby na jej stabilne utrzymywanie. Tu z wytyczającym szlak skutkiem udało się to na nieco mniejszym urządzeniu, ale docelowo o analogiczny efekt naukowcy będą się starać na powstającym we Francji największym reaktorze na świecie o nazwie ITER.

Fot. NY Times

Już niedługo we Francji ruszy największy reaktor na świecie.


Najważniejsze ośrodki badawcze

No właśnie – ITER, czyli International Thermonuclear Experimental Reactor, ma stanowić prawdziwe globalne centrum badań nad fuzją jądrową. Zgodnie z ponadnarodowym konsensusem powstaje on w pobliżu Marsylii w ośrodku Cadarache, a zaangażowane w powodzenie projektu są m.in. Unia Europejska, Japonia, Stany Zjednoczone, Rosja, Chiny, Korea Południowa i Indie. Będzie to zdecydowanie największy spośród ponad 100 dotychczas zbudowanych reaktorów, zaś do użytku ma zostać oddany w 2025 roku. Cele? Przede wszystkim stworzenie podłoża pod przyszłe generacje reaktorów (o mocy do nawet 4000 megawatów), a także stabilny i długotrwały przebieg reakcji (w widełkach od 500 do 1100 megawatów). To mało czy dużo? Największy aktualnie tokamak, czyli Joint European Torus (JET), zlokalizowany w Wielkiej Brytanii w pobliżu miasta Culham, dysponuje maksymalną mocą w wysokości 16 megawatów. Przy czasie fuzji trwającym do kilkunastu sekund. Różnica jest więc kolosalna. Na kluczowe ośrodki badawcze wyrosły też ostatnio wspomniane wyżej NIF w Stanach Zjednoczonych oraz EAST w Chinach (Tokamak HL-2M, czyli słynne ‘sztuczne słońce’, o którym więcej pisaliśmy tutaj). Nie można też zapomnieć o usytuowanym w Niemczech stellaratorze Wendelstein 7-X, przy którym pracują również polscy naukowcy. Wysiłek jest tam wkładany przede wszystkim w walkę o jak najdłuższy czas ciągłego (a nie bodźcowego) działania. Miło, że przynajmniej na polu naukowych przełomów, choć świat jest dziś tak podzielony, wszyscy poważni gracze działają ramię w ramię (a przynajmniej sprawiają takie wrażenie).

Fot. Power-Technology

Jaka piękna melodia (tyle że przyszłości).

Perspektywy, czyli czy można się już cieszyć?

Biorąc pod uwagę tempo, w jakim postępują zmiany klimatu, każda – zwłaszcza niespodziewana – opcja na ich wyhamowanie (produkcja elektryczności odpowiada za 1/3 światowych emisji) jawi się jako energetyczny Święty Graal. Niestety według opinii ekspertów na skomercjalizowane czerpanie z fuzji jądrowej poczekamy jeszcze długo. Ian Palmer, autor książki ‘The Shale Controversy’, w artykule dla Forbesa napisał, że globalne przejście na nowe źródło energii nie nastąpi do 2050, a może nawet do 2100 roku. O powodach, w rozmowie z serwisem Komputer Świat, ciekawie opowiadał dr Marcin Jakubowski: ‘O ile zwiększanie wydajności reakcji termojądrowej z Q [sprawność reakcji – przyp. red.] = 1,5 do Q = 5, a nawet więcej jest w zasięgu obecnej generacji fizyków, to przekucie tego wyniku na działającą w sposób ciągły elektrownię, która produkuje energię elektryczną, jest najeżone komplikacjami’. Zwrócił on uwagę na braki, jakie badacze wciąż mają w zakresie optymalnej kompresji paliwa termojądrowego oraz powtarzalności takiej reakcji (jej regularność w bardzo krótkich odstępach czasu), podkreślając, że magnetyczne utrzymywanie plazmy daje aktualnie nieco lepsze perspektywy niż stosowanie laserów. Trzeba uzbroić się więc w cierpliwość, bo fuzja jądrowa ma potencjał na bycie absolutnym game changerem w zakresie dalszego zasilania planety i spowolnienia globalnego ocieplenia. Alternatywą dla niej są chyba jedynie pomysły związane z blokowaniem słońca poprzez wtrysk aerozolu stratosferycznego, rozjaśnianie chmur morskich, przerzedzanie chmur cirrus czy osłony przeciwsłoneczne (pisaliśmy o tym więcej tutaj), jednak aktualnie to fuzja podąża na czele peletonu naukowych pomysłów na lepszą przyszłość. Pozostaje trzymać kciuki, by do linii mety dotarła jako pierwsza i to z zaskakująco wyśrubowanym czasem.

Tekst: WM
Fot. The Times
Źródło zdjęcia głównego: NBC Palm Springs

FUTOPIA