Prof. Michał KLEIBER: Kontrolowana synteza termojądrowa ważnym elementem energetyki przyszłości

Kontrolowana synteza termojądrowa ważnym elementem energetyki przyszłości

Photo of Prof. Michał KLEIBER

Prof. Michał KLEIBER

Redaktor naczelny "Wszystko Co Najważniejsze". Profesor zwyczajny w Polskiej Akademii Nauk. Prezes PAN 2007-2015, minister nauki i informatyzacji 2001-2005, w latach 2006–2010 doradca społeczny prezydenta Lecha Kaczyńskiego. Przewodniczący Polskiego Komitetu ds. UNESCO. Kawaler Orderu Orła Białego.

Ryc.: Fabien Clairefond

zobacz inne teksty Autora

Historyczną datą okazał się dzień 5 grudnia 2022 r., kiedy to naukowcy z kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory dostarczyli do fuzyjnego reaktora 2,05 MJ (megadżula) energii, odzyskując 3,15 MJ. To zwiększyło optymizm wszystkich zwolenników fuzji termojadrowych – pisze prof. Michał KLEIBER

.Większość osób na świecie nie ma wątpliwości co do zachodzących zmian klimatu i niebezpieczeństw ich konsekwencji. Osoby te wierzą w szeroko dostępne informacje i prognozy badaczy przewidujących narastające już w najbliższych dekadach fale groźnych upałów, wzrost poziomu mórz wywołujący rozległe zniszczenia, problemy z dostępem do wody pitnej, rosnące zagrożenie huraganami i nawałnicami deszczów, dramaty ludności zamieszkującej rejony nadmorskie bądź okołorównikowe i wiele, wiele innych nieszczęść. Są też sceptycy, konsekwentnie uważający przepowiadanie takich wydarzeń za przesadne i niewarte olbrzymich kosztów potrzebnych do skutecznej z nimi walki. Nawet jednak owi sceptycy zgadzają się w większości, że nie można odmówić realności problemom trwającej dewastacji środowiska naturalnego i zanieczyszczenia powietrza, mającym niezaprzeczalny, bardzo negatywny wpływ na zdrowie człowieka.

Energia odnawialna nie rozwiązuje całości problemu

Poprawa tej sytuacji wymaga zasadniczych zmian w energetyce, transporcie i wielu innych obszarach życia, a kluczową postulowaną zmianą jest oczywiście stopniowe odchodzenie od paliw kopalnych. Dzisiejsze alternatywy dla węgla, gazu i ropy są jednak dalekie od satysfakcjonujących – źródła odnawialne wykorzystujące słońce, wiatr i przepływy wody są niestabilne i generują ciągle relatywnie małą część potrzebnej energii. Za dobrą alternatywę uważana jest powszechnie energetyka jądrowa, ale i ona w dotychczas stosowanej tradycyjnej wersji ma swoje istotne wady. Bazuje ona na reakcji rozczepienia jąder atomów w procesie ich zderzania, wymagającym bardzo skrupulatnej kontroli i użycia pierwiastków ciężkich, których atomy po rozpadzie wytwarzają radioaktywne śmieci. W dodatku dostępność potrzebnych w tym procesie pierwiastków staje się w dzisiejszym świecie coraz bardziej problematyczna.

Efektem tej sytuacji jest rosnące zainteresowanie innym sposobem wykorzystania jądrowej generacji energii, zwanym fuzją termojądrową lub kontrolowaną syntezą termojądrową. Terminy te oznaczają odtworzenie w kontrolowanych warunkach procesów zachodzących w jądrze Słońca.

Czym jest fuzja termojądrowa?

W reaktorze fuzyjnym zachodzi reakcja odwrotna do opisanej wyżej – zamiast rozbijać jądra atomów, należy doprowadzić do ich połączenia. Prowadzi to do dość istotnych różnic między tymi reakcjami, wśród których może najważniejsze są dwie – w reaktorze termojądrowym nigdy nie zajdzie niekontrolowana reakcja łańcuchowa, więc nie ma niebezpieczeństwa awarii takiej jak w Fukushimie czy Czarnobylu. Druga różnica to brak odpadów radioaktywnych, które w przypadku reaktorów rozszczepieniowych trzeba przechowywać przez tysiące lat w bezpiecznym miejscu. Jedyną substancją radioaktywną, która mogłaby zostać uwolniona do otoczenia w wyniku awarii reaktora termonuklearnego, jest tryt o połowicznym okresie rozpadu wynoszącym tylko około 12 lat. 

W przeciwieństwie do tradycyjnej energetyki jądrowej, uważanej obecnie w takich krajach jak Niemcy i Japonia za stwarzającą istotne zagrożenia dla środowiska naturalnego, reaktory termojądrowe uważane są za praktycznie niewyczerpywalne źródła przyjaznej człowiekowi energii. Wiele jąder atomowych może służyć w nich jako paliwo, a najkorzystniejsze wydaje się dzisiaj doprowadzanie do syntezy jąder deuteru i trytu, czyli izotopów wodoru. Paliwo takie byłoby w zasadzie darmowe i właśnie dlatego większość badań prowadzona jest w tym kierunku.

Eksperyment w Cadarache

Prace badawcze dotyczące praktycznego wykorzystywania fuzji do generowania energii trwają już od paru dziesięcioleci, ale do niedawna trudno było być w tej sprawie optymistą. Mam tu swoje osobiste doświadczenie – w latach 2004–2005 byłem z ramienia UE jednym z negocjatorów w sprawie inicjatywy dotyczącej utworzenia w Cadarache w południowej Francji międzynarodowego centrum badawczego ITER, zajmującego się budową eksperymentalnego reaktora fuzyjnego, tzw. tokamaka. Negocjacje zakończyły się powodzeniem i w 2006 roku Japonia, Korea Południowa, Chiny, Indie i Unia Europejska podpisały w tej sprawie kluczowe porozumienie. Inicjatywa miała wielu krytyków, czego doświadczałem osobiście w licznych rozmowach z politykami, ekspertami, a nawet bardzo kompetentnymi fizykami, niewierzącymi w jej powodzenie. Nie przeszkodziło to idei fuzji termojądrowej w zdobywaniu coraz większej popularności, czego konsekwencją są badania nad jej wykorzystywaniem prowadzone od lat w wielu miejscach na świecie, także w prywatnych firmach. W finansowanie fuzji zaangażowane są znane giganty energetyczne jak np. Chevron, ale także dotychczas niezwiązane z branżą energetyczną osoby, jak Bill Gates, czy firmy, jak Google.

Złożoność prowadzonych badań jest niezaprzeczalnym faktem. Szacowany początkowo na parę mld euro koszt przygotowań do budowy eksperymentalnego reaktora termonuklearnego, tokamaka ITER, został już znacznie przekroczony. A i tak ITER, budowany na wzór działającego obecnie mniejszego tokamaka JET, nie jest planowany do pełnienia funkcji komercyjnej elektrowni, jest bowiem w zamierzeniu ciągle projektem demonstracyjnym i typowo badawczym.

Kontrolowana synteza termojądrowa

Obecnie potrafimy wywoływać reakcję termojądrową w bombach termojądrowych (chciałoby się dodać – niestety!) oraz, na niewielką skalę, w urządzeniach badawczych. Powodem tych ograniczeń jest poważny problem związany z budową takich reaktorów. Aby wywołać odpowiednią reakcję, potrzebne jest podgrzanie plazmy w reaktorze do temperatury rzędu dziesiątek milionów stopni Celsjusza, a to jest bardzo trudne i w dodatku wymaga dostarczenia dużej ilości energii. Innymi słowy, aby produkować energię, trzeba najpierw wykorzystać jej znaczną ilość. Dotychczas ten energetyczny bilans wypadał zawsze ujemnie, czyli inwestycja po prostu się nie zwracała. Do niedawna przewidywano, że kraje biorące udział w budowie reaktora ITER rozwiną technologię, która przynajmniej pozwoliłaby na skonstruowanie prototypowej elektrowni termojądrowej. Nie wydawało się jednak realne, aby taka elektrownia powstała przed rokiem 2040. Nadzieje w ostatnich latach rozbudziły przeznaczone na badania środki pochodzące ze wspomnianych firm prywatnych, których właściciele obiecują, że w ciągu dosłownie paru lat uruchomione zostaną reaktory pilotażowe, a rozwiązania komercyjne będą gotowe już na początku lat 30., dostarczając zeroemisyjną energię nieograniczoną dostępnością zasobów. 

Nie sposób w tym miejscu nie wspomnieć o ciągle nie do końca rozwiązanym ważnym problemie opóźniającym budowę komercyjnych elektrowni termojądrowych. O ile we wspomnianych wyżej bombach wodorowych krótkotrwała reakcja termonuklearna jest opanowana pod względem technicznym, o tyle dotychczas nie udało się przeprowadzić kontrolowanej, długotrwałej reakcji termojądrowej z dodatnim wynikiem energetycznym. Powodem jest potrzeba dłuższego podtrzymywania wspomnianej, bardzo wysokiej temperatury plazmy, w której zachodzi reakcja. Trudno sobie w tej sytuacji wyobrazić reaktor, w którym plazma o takiej temperaturze miałaby kontakt ze ściankami urządzenia. Najlepszym, obecnie dokładnie badanym rozwiązaniem jest wykorzystanie faktu, iż plazma jest obdarzona ładunkiem elektrycznym, co umożliwia zamknięcie jej w tzw. pułapce magnetycznej, będącej odpowiednio ukształtowanym polem magnetycznym. Ciekawostką w tym kontekście może być fakt, że pierwszy pomysł na stworzenie takiej pułapki dla plazmy pochodzi z prowadzonych przeszło 60 lat temu prac fizyka Andrieja Sacharowa z Instytutu Energii Atomowej w Moskwie, uczonego szanowanego dzisiaj powszechnie jako aktywnego sowieckiego dysydenta i laureata Pokojowej Nagrody Nobla. Zaproponowana przez niego komora będąca pułapką magnetyczną dla plazmy deuterowo-trytowej została nazwana powszechnie dzisiaj stosowanym i przytoczonym już wyżej terminem tokamak, pochodzącym od rosyjskiej nazwy Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami.

Optymizm dzięki eksperymentowi wLawrence Livermore National Laboratory

Ważnym, budzącym nadzieję krokiem na drodze do zbudowania komercyjnego reaktora termojądrowego był niedawny sukces badaczy chińskich, którzy w styczniu bieżącego roku osiągnęli w reaktorze EAST temperaturę prawie pięciokrotnie wyższą od temperatury Słońca i utrzymali ją przez 17 minut. W ostatnich dniach 2022 r. sytuacja zmieniła się jeszcze bardziej radykalnie. Historyczną w omawianym kontekście datą okazał się dzień 5 grudnia 2022 r., kiedy to naukowcy z kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory dostarczyli do fuzyjnego reaktora 2,05 MJ (megadżula) energii, odzyskując 3,15 MJ. To zwiększyło optymizm wszystkich zwolenników fuzji.

Innym problemem dotyczącym każdej innowacji o potencjalnym wielkim znaczeniu jest oczywiście koszt jej wdrożenia i eksploatacji. Dobrą wiadomością jest tu fakt, że przyszłe elektrownie termojądrowe, niebędące urządzeniami badawczymi, nie będą potrzebowały drogich instrumentów do badania plazmy umożliwiającej diagnozowanie i kontrolowanie parametrów wyładowania, niezbędnych obecnie do eksperymentów z ITER-em. Mimo to koszty budowy tych elektrowni wydają się dzisiaj i tak relatywnie wysokie. W tym kontekście z pewnością trzeba jednak przypomnieć sobie historię rozwoju innych innowacyjnych źródeł energii. Wykorzystywane na przykład obecnie powszechnie odnawialne źródła energii w postaci farm fotowoltaicznych czy wiatrowych dwie dekady temu zdawały się kosztownym hobby dostępnym tylko dla najbogatszych państw, a dziś energia elektryczna uzyskana z OZE okazuje się tańsza od tej produkowanej z węgla.

.Mówiąc o przyszłości energetyki, nie sposób nie wspomnieć choćby jednym zdaniem o innych czekających nas nowościach. Mam tu na myśli np. bardzo głęboką geotermię czy produkowany ekologicznie tzw. zielony wodór. Omówienie tych technologii i ich zastosowań wykracza poza ramy tego tekstu, ale z pewnością w nieodległej przyszłości będziemy do nich jeszcze wielokrotnie wracać.

Michał Kleiber

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 23 grudnia 2022