Po ponad trzydziestu latach badań, prób i wysiłku naukowców z całego świata koncepcja budowy pierwszej elektrowni termojądrowej opartej na fuzji atomowej jeszcze nigdy nie była w tak zaawansowanym stadium realizacji. W Cadarache na południowym brzegu Francji uroczyście zainaugurowano budowę tokamaka ITER – eksperymentalnego reaktora, który w perspektywie dwóch dekad może stać się kluczem do rozwiązania podstawowych problemów światowej energetyki. Planowane tam eksperymenty pokażą, czy przy obecnej technologii naukowcy są w stanie w sposób ciągły i kontrolowany przeprowadzać syntezę termojądrową, a w kolejnym etapie produkcję energii w sposób opłacalny i pozbawiony odpadów radioaktywnych. Koszt projektu to około 22 mld euro, z czego prawie połowę finansuje Unia Europejska.

Konstrukcja tokamaka ma zostać ukończona do 2025 roku. Reaktor, którego budowa się właśnie rozpoczęła, będzie miał 840 m³ i docelowo będzie ważył 23 tys. ton. Kolejne 10 lat zarezerwowano dla międzynarodowego zespołu specjalistów w celu przeprowadzenia wszystkich zaplanowanych badań i wyciągnięcia odpowiednich wniosków z uzyskanych wyników. Optymistyczne prognozy współzałożyciela projektu, Davida Kinghama zakładają powstanie pierwszych komercyjnych elektrowni termojądrowych w przeciągu 20 lat.

Synteza jądrowa to reakcja, która napędza słońce. Być może w przyszłości zasili także nasze domy.

Zadanie nie należy do łatwych, ponieważ aby doprowadzić do syntezy termojądrowej, należy zapewnić warunki podobne do tych panujących w jądrze Słońca.

15 mln stopni Celsjusza i 400 mld atmosfer ciśnienia to wejściowe warunki, aby stworzyć środowisko przyjazne reakcji tworzenia się jąder helu z łączenia się jąder wodoru.

Pomimo tak nierealnych na pierwszy rzut oka parametrów, okazuje się, że podobna reakcja jest możliwa do przeprowadzenia w ziemskich warunkach po zastosowaniu „symbolicznych” modyfikacji. Zwiększenie temperatury procesu do pułapu 150-200 mln stopni Celsjusza pozwoli na fuzję już przy ciśnieniu 1-2 atmosfer. Połączenie w takich warunkach ciężkich izotopów wodoru – deuteru i trytu – stworzą mieszaninę w czwartym stanie skupienia, czyli plazmę.

Żaden dostępny materiał nie mógłby utrzymać tak gorącej substancji we właściwym miejscu. Będzie to możliwe ze względu na własności elektryczne „paliwa jądrowego”. Rozgrzana zjonizowana materia zostanie utrzymana w silnym polu magnetycznym największej na świecie budowanej cewki w formie torusa. Odpowiednio ściśnięta plazma będzie lewitować w komorze próżniowej, przez co nie spali ścian reaktora od wewnątrz. Aby zachować swoje właściwości, cewki magnesu będą także chłodzone do temperatury niemal zera absolutnego, czyli minus 269 stopni Celsjusza.

Magnetyczna pułapka, plazma rozgrzana poza granice wyobraźni i kilkanaście centymetrów dalej – mróz bliski zera absolutnego. Powodzenie inicjatywy będzie przełomem technologicznym.

Fuzja polegająca na syntezie jąder jest kilkakrotnie wydajniejsza od stosowanej obecnie w elektrowniach reakcji rozszczepiania jąder atomów. Jest także bezpieczniejsza, ponieważ w wyniku przerwania procesu, ten po prostu wygasa. Zakłada się, że tokamak przy pełnej mocy będzie mógł wytwarzać co najmniej 10 razy więcej energii niż zużywać. Największe wyzwanie to osiągnięcie i stabilizacja całego procesu, później produkcja energii i efektywność energetyczna. Najbliższa dekada zweryfikuje prawdziwość wszystkich postawionych hipotez.

Przy projekcie pracują naukowcy z 35 krajów, w tym m.in. ze Stanów Zjednoczonych, Europy, Chin, Indii, a także Polski.

Zaangażowani są naukowcy z Politechniki Łódzkiej, Politechniki Wrocławskiej czy AGH. Konsultacje przeprowadzane są w zakresie systemu dystrybucji helu, analizy ryzyka w systemach chłodzących czy sterowania i akwizycji danych w tokamaku. Na obecnym etapie, bezpośrednio przy montażu elementów tokamaka ITER pracuje około 2,3 tys. osób. Pomimo około 5-letniego opóźnienia w realizacji harmonogramu, wszyscy pracują jak szwajcarski zegarek. Nie ma tutaj miejsca na najmniejszy błąd. Składanie reaktora odbywa się z dokładnością mniejszą niż milimetr. Uczestnictwo Polaków w największym energetycznym eksperymencie naukowym na świecie w przyszłości może nam ułatwić skorzystanie z przyszłych elektrowni termojądrowych.

Jeden gram wodoru „spalonego” w reaktorze termojądrowym może dać tyle energii, ile dostarcza 11 ton węgla kamiennego. Realizacja zapotrzebowania energetycznego całego świata w przypadku takiego scenariusza sprowadzałaby się do wykorzystania kilkuset kilogramów izotopów wodoru w skali roku. Naukowcy rozważają jeszcze zastąpienie radioaktywnego trytu (ze względu na małe zasoby i problematyczną produkcję z litu) izotopem Helu-3. Ogromne jego pokłady znajdują się na księżycu, co także dobrze rokuje dla inwestycji w podróże kosmiczne. Pierwszy zapłon plazmy w tokamaku ITER zaplanowano na 2025 rok.

Tekst: PM