Amerykanie chcą produkować "sztuczne słońca". Tania, ogromna moc bez śmieci

Startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) ogłosił właśnie plany budowy "pierwszej elektrowni fuzyjnej na skalę przemysłową" w Chesterfield County w stanie Wirginia. Firma powstała przy Massachusetts Institute of Technology deklaruje, że jej komercyjna instalacja wejdzie do eksploatacji we "wczesnych latach 30. XXI w.", dostarczając bezemisyjnej energii do okolicznej sieci energetycznej.

"To moment historyczny" – powiedział gubernator Wirginii Glenn Youngkin, cytowany przez "The New York Times". Stan stał się amerykańskim zagłębiem ogromnych centrów danych, których rosnące potrzeby energetyczne stają się coraz poważniejszym problemem dla tamtejszych elektrowni.

Do tej pory nikt nie stworzył prawdziwej elektrowni opartej na fuzji jądrowej. Od kilkudziesięciu lat prace nad nią pozostają w fazie eksperymentów. W 2022 r. naukowcy w Lawrence Livermore National Laboratory osiągnęli zapłon, czyli przełom, w którym z reakcji uzyskano więcej energii, niż w nią włożono. Był to pierwszy taki wynik w historii. Choć mówiono wówczas o rewolucji, to wciąż za mało, by za pomocą fuzji realnie produkować energię na skalę przemysłową.

Fuzja jądrowa – reakcja odpowiedzialna za produkcję energii przez gwiazdy, w tym nasze Słońce – od dawna jest uważana za "świętego Graala" energetyki. Polega na generowaniu w reaktorze ogromnych ciśnień i temperatur przypominających te panujące w sercu Słońca. Pod ich wpływem atomy łączą się ze sobą, tworząc cięższe pierwiastki. Reakcja ma być tania, bezpieczna i generować ogromne ilości energii.

Projektowany przez CFS reaktor ma działać w oparciu o tokamak – urządzenie w kształcie torusa (pączka), w którym zjonizowany gaz jest podgrzewany do temperatur przekraczających te panujące w jądrze Słońca, aby zainicjować fuzję.

Rządowe laboratoria na całym świecie budują i eksploatują tokamaki od dziesięcioleci. Dotąd jednak reakcje fuzji przeprowadzane w nich były zazwyczaj niezwykle krótkie i pochłaniały więcej energii, niż dostarczały. Inżynierowie z CFS są jednak przekonani, że udało im się dokonać przełomu, który sprawi, że komercyjna energetyka fuzyjna wreszcie stanie się realna.

Przełomem tym mają być nadprzewodzące magnesy nowej generacji, pozwalające wytworzyć silniejsze pole magnetyczne w bardziej kompaktowym formacie. W tokamaku pole magnetyczne jest kluczowe dla kontrolowania rozgrzanej do ekstremalnych temperatur plazmy w której zachodzi reakcja fuzji. Dzięki nowym magnesom tokamaki CFS mają być mniejsze, prostsze i o wiele tańsze w budowie od dotychczasowych, laboratoryjnych odpowiedników.

Za opracowanie nowego systemu odpowiada zespół uczonych związanych z MIT Plasma Science and Fusion Center. "W 2012 r., kiedy prowadziłem zajęcia ‘Principles of Fusion Engineering’, poprosiłem grupę doktorantów o zaprojektowanie urządzenia wykorzystującego nowe nadprzewodzące magnesy" – mówi Dennis Whyte, współzałożyciel CFS i profesor inżynierii na MIT, cytowany przez "MIT News".

Na całym świecie jest obecnie ok. 50 startupów pracujących nad fuzją jądrową. W sumie otrzymały one od inwestorów 5,5 mld dolarów, ale to właśnie CFS, dzięki swoim patentom i bliskim związkom z najważniejszą politechniką świata jest zdecydowanym liderem. Firma od inwestorów, takich jak Google, włoski gigant paliwowy Eni czy Billa Gatesa, otrzymała już ponad 2 mld dolarów, czyli ponad ⅓ wszystkich środków przeznaczonych na całym świecie na podobne przedsięwzięcia.

Firma pracuje wciąż nad swoim demonstratorem technologii - małym reaktorem SPARC, który miałby wytworzyć nadwyżkę mocy jeszcze przed końcem dekady. Na jego potrzeby w Devens w stanie Massachusetts buduje się cały kompleks laboratoryjno-energetyczny. Następcą SPARC ma być ARC - reaktor gotowy do wykorzystania komercyjnego. To właśnie on ma stanowić podstawę elektrowni w Wirginii.

Złośliwi powiadają jednak, że "fuzja jądrowa to energia przyszłości - i zawsze nią będzie". Próby budowy elektrowni fuzyjnych od kilkudziesięciu lat spełzają bowiem na niczym.

Przestrogą jest tutaj wielki, międzynarodowy tokamak ITER budowany we Francji, który miał być kluczowym krokiem na drodze do energetyki fuzyjnej. Projekt jest opóźniony o dziesięciolecia, jego budżet został przekroczony o miliardy i jest możliwe, że nigdy nie zostanie doprowadzony do końca.

CFS jest jednak przekonane, że realne jest uruchomienie komercyjnej elektrowni we wczesnych latach 30. XX w. CFS zamierza niezależnie finansować, budować i obsługiwać elektrownię ARC, choć projekt ma być realizowany we współpracy z firmą energetyczną Dominion Energy Virginia, która jest właścicielem przemysłowego terenu w James River Industrial Park.

W Wirginii głównym motorem rosnącego zapotrzebowania na energię są centra danych. Już w 2023 r. serwerownie odpowiadały za ponad jedną czwartą zużycia prądu w tym stanie. W północnej części stanu koncentruje się największa liczba data center na świecie.

Zapowiadane 400 MW mocy generowanej przez ARC to zdecydowanie mniej niż budowane obecnie konwencjonalne elektrownie węglowe czy atomowe, ale zaletą ma być całkowita bezemisyjność i brak odpadów związanych z pracą reaktora. ARC ma być jednocześnie jednostką modułową, umożliwiającą łatwe dostosowywanie mocy elektrowni do potrzeb użytkowników.

"To będzie kamień milowy" – powiedział Whyte cytowany przez "MIT News". Inżynier jest przekonany, że sukces reaktora ARC może rozpocząć zupełnie nową erę w energetyce. CFS szacuje, że sukces w Wirginii może przełożyć się na powstanie na całym świecie tysięcy nowych, bezemisyjnych elektrowni fuzyjnych, dostarczających stabilną, czystą i tanią elektryczność. Oczywiście pod warunkiem, że reaktor zadziała tak, jak zakładają jego twórcy.