Energia przyszłości. Fuzja jądrowa może zbliżyć nas do energetycznej utopii

Dwa miesiące temu w laboratorium w Korei Południowej zabłysnęła sztuczna gwiazda. I świeciła przez rekordowo długi czas.

Tak można podsumować eksperyment, przeprowadzony przez badaczy z Koreańskiego Instytutu Energii Termojądrowej. Ich eksperymentalne urządzenie KSTAR zdołało wyprodukować w swoim wnętrzu plazmę o temperaturze 100 milionów stopni Celsjusza - siedem razy wyższej, niż ta, która panuje w jądrze Słońca. I utrzymali jej stabilność przez 48 sekund. Dotychczasowy rekord był o 18 sekund krótszy.

To nie było łatwe zadanie. Plazma w tak wysokich temperaturach jest niezwykle niestabilna, a utrzymanie jej pod kontrolą wymaga niezwykłych wysiłków. Żaden materiał nie wytrzymałby kontaktu z tak gorącą substancją, dlatego dla opanowania plazmy wykorzystywane są niezwykle silne magnesy, trzymające ją w "polu siłowym".

Nawet one jednak mają swoje ograniczenia. Utrzymanie płonącej plazmy pod kontrolą jak najdłużej było wyzwaniem, z którym od dziesięcioleci walczyli najwybitniejsi fizycy świata.

Ostatecznym celem KSTAR jest utrzymanie temperatury plazmy na poziomie 100 milionów stopni przez 300 sekund do 2026 r., co stanowi punkt krytyczny umożliwiający zwiększenie skali operacji termojądrowych.

To otwierałoby drogę do przejścia od laboratoryjnych eksperymentów do prób faktycznego wykorzystania fuzji do generowania energii. A to prawdziwy Święty Graal nie tylko fizyków eksperymentalnych, ale i specjalistów od transformacji energetycznej. Bo fuzja potencjalnie daje niemal nieskończone źródło energii. Bez zanieczyszczeń i skutków ubocznych.

Fuzja jądrowa to zjawisko, które zachodzi w sercu Słońca i innych gwiazd. Polega na łączeniu się dwóch jąder atomowych w jedno większe. Całkowita masa nowego atomu jest mniejsza niż masa dwóch, które go ukończyły. "Brakująca" masa jest oddawana jako energia, zgodnie ze słynnym równaniem Alberta Einsteina E=mc². Ponieważ jednak jądra tych atomów mają dodatnie ładunki elektryczne, odpychają się nawzajem, a pokonanie bariery elektrostatycznej i umożliwienie ich połączenia wymaga ogromnych ciśnień i temperatur.

W przeciwieństwie do rozszczepienia atomów, stanowiącego podstawę istniejących dziś elektrowni jądrowych, reakcja fuzji jest niezwykle efektywna i produkuje ogromne ilości energii. Co więcej, obywa się bez produkcji radioaktywnych odpadów. Nie produkuje także żadnych gazów cieplarnianych.

Jednak opanowanie tego procesu na Ziemi jest bardzo trudne. Na Słońcu proces fuzji napędzany jest potężną grawitacją gwiazdy, która ściska atomy tak, że te nie mają wyjścia, tylko muszą się łączyć. Na Ziemi musimy symulować te warunki, podgrzewając atomy do temperatur sięgających milionów stopni i utrzymywać je w zamknięciu przez czas wystarczający, by się połączyły.

Proces wymaga doskonałej kontroli. Wściekle gorąca plazma nie pozostaje nieruchoma: ma tendencję do gwałtownych zmian temperatury, które generują silne prądy konwekcyjne sprawiające, że plazma jest burzliwa i trudna do kontrolowania. Takie niestabilności mogą spowodować kontakt plazmy ze ścianami, powodując ich uszkodzenie. Tłumienie tych wahań lub zarządzanie nimi było jednym z kluczowych wyzwań dla projektantów reaktorów.

To, że fuzja jądrowa stanowi potencjalnie nieskończone źródło energii wiemy od dziesięcioleci. Na spotkaniu podsumowującym Projekt Manhattan pod koniec 1945 r. włoski fizyk Enrico Fermi, który kierował projektem budowy pierwszego reaktora rozszczepialnego w Chicago podczas II wojny światowej, przewidział, że reaktory termojądrowe mogą posłużyć do generowania energii. Niektórzy naukowcy przewidywali, że gdy nauczymy się prowadzić ten proces w sposób kontrolowany i trwały, energia elektryczna stanie się "zbyt tania, aby można ją było zmierzyć".

Wyzwania inżynierskie okazały się jednak ogromne. Choć reakcje fuzyjne prowadzimy już od lat 50., początkowo przybierały one postać eksplozji bomb wodorowych. Kontrola tego procesu wymagała technologii, które dopracowywane są do dziś.  Żaden znany materiał nie jest w stanie wytrzymać tak ekstremalnych warunków, jak te, które są wymagane do przeprowadzenia fuzji.

Odpowiedzią od dawna preferowaną przy projektowaniu reaktorów jest zamknięcie magnetyczne: trzymanie naładowanej elektrycznie plazmy w "butelce magnetycznej" utworzonej przez silne pola magnetyczne, tak, aby nigdy nie dotykała ścian komory termojądrowej. Najpopularniejszy projekt, zwany tokamakiem i proponowany w XX w. przez radzieckich naukowców, wykorzystuje pojemnik toroidalny, czyli o kształcie donuta (okrągłego pączka z dziurką).

Problemy są dwa. Po pierwsze, utrzymanie stabilności plazmy. Co prawda reakcje w tokamakach mają to do siebie, że w razie jakichkolwiek problemów nie prowadzą do eksplozji, ale po prostu gasną, ale powstrzymanie tego wygaszania jest niezwykle kłopotliwe. Po drugie, utrzymanie złożonych systemów magnesów, urządzeń chłodzących i całej reszty niezbędnego oprzyrządowania zużywa ogromne ilości energii. Do niedawna wszystkie reaktory fuzyjne potrzebowały do prądu zdecydowanie więcej energii, niż były w stanie wygenerować.

W lutym tego roku naukowcy z Oxfordu Oxford ogłosili, że wyprodukowali w ramach reakcji termojądrowej więcej energii niż kiedykolwiek wcześniej. 69 megadżuli wytworzonych w urządzeniu Joint European Torus (JET) przez pięć sekund wystarczyłoby do zasilenia 12 000 domów.

W grudniu 2022 r. naukowcy z amerykańskiego Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ujawnili z kolei, że eksperyment prowadzony w tzw. National Ignition Facility (NIF) wytworzył 1,5 raza więcej energii, niż było potrzebne do jego uruchomienia.

NIF, stworzony pierwotnie do testowania amerykańskich bomb wodorowych, działa jednak na innej zasadzie: wykorzystuje baterię 192 laserów o dużej mocy do wysadzania maleńkich granulek paliwa deuterowego i trytowego w procesie znanym jako inercyjna fuzja w zamknięciu. Powoduje to implozję paliwa, rozbijanie jego atomów i wytwarzanie wyższych temperatur i ciśnień niż w centrum Słońca. Następnie atomy łączą się ze sobą, uwalniając ogromne ilości energii.

"Pokazaliśmy, że nic zasadniczo nie ogranicza nas w możliwości wykorzystania syntezy jądrowej w laboratorium" - stwierdziła po eksperymencie Annie Krichter z laboratorium Lawrence Livermore.

Pokazaliśmy, że nic zasadniczo nie ogranicza nas w możliwości wykorzystania syntezy jądrowej w laboratorium.

---

Od laboratorium do elektrowni jest jednak długa droga. Największym na świecie projektem, który ma pozwolić nam ją pokonać, jest ITER - tworzony we Francji ogromny tokamak, nad którym wspólnie pracują naukowcy z Europy, USA, Japonii, Chin i Rosji. Pierwotnie jego otwarcie miało nastąpić w 2016 r. a konstrukcja obiektu kosztować ok. 5 mld euro. Ostatecznie eksperymenty na pełną skalę mają zacząć się dopiero w 2035 r., a cały projekt pochłonął już czterokrotnie więcej pieniędzy, czyli ok. 20 mld euro.

ITER będzie wykorzystywał masywny tokamak o promieniu 6,2 metra; cała maszyna będzie ważyć 23 tys. ton. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, ITER będzie pierwszym reaktorem termojądrowym, który zademonstruje ciągłą produkcję energii w skali elektrowni (ok. 500 megawatów). ITER nie będzie wytwarzał energii komercyjnej - jest to maszyna wyłącznie eksperymentalna. Ma jednak otworzyć drogę do prawdziwych elektrowni fuzyjnych, które mogłyby zacząć powstawać w latach 50-tych.

Wielkie, międzynarodowe projekty nie są jednak jedyną drogą do komercyjnej energii fuzyjnej. Ok. 30 startupów na całym świecie pracuje nad własnymi projektami reaktorów fuzyjnych, które miałyby zaistnieć o wiele wcześniej. Kanadyjskie General Fusion i amerykańskie Commonwealth Fusion Systems tworzą projekty, które, zdaniem ich twórców, mogłyby zademonstrować potencjał fuzyjnej energii już w... 2025 r.

CFS już pracuje nad obiektem, który ma stanowić pierwszą, eksperymentalną elektrownię fuzyjną. Firma, założona przez naukowców z Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Massachusetts Institute of Technology, buduje prototypowe urządzenie o nazwie SPARC, którego ukończenie ma nastąpić w 2025 r.

SPARC będzie średniej wielkości tokamakiem, w którym plazma będzie ściśle ograniczone przez bardzo intensywne pola magnetyczne wytwarzane przez nowe, wysokotemperaturowe magnesy nadprzewodzące opracowane w M.I.T. Nowe magnesy mają być prawdziwym przełomem: pozwalają tworzyć silne pole magnetyczne stosunkowo niskim kosztem. Gęstość mocy w plazmie szybko rośnie wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego.

Celem zespołu SPARC jest wygenerowanie ok. 10 razy więcej energii, niż będzie zużywał system i wytworzenie od 50 do 140 MW mocy. Nie będzie on dostarczał energii do sieci, ale ma utorować drogę dla koncepcji niedrogiego, solidnego i kompaktowego reaktora termojądrowego. Jeśli eksperymenty się powiodą, pierwsza pilotażowa elektrownia fuzyjna dostarczająca moc do sieci miałaby powstać już w latach 30. tego wieku.

CFS i inne podobne firmy budzą ogromne zainteresowanie inwestorów, którzy chcą jak najwcześniej czerpać zyski z potencjalnie nieograniczonego źródła energii. Firma Helion podpisała umowę z Microsoftem, w ramach której już w 2028 r. ma dostarczać gigantowi komputerowemu energii z fuzji. Zebrała też 500 mln dolarów od inwestorów. W sumie fuzyjne startupy miały, jak podaje Reuters, do zeszłego roku zebrać ok. 5 mld dolarów wkładu. A lawina dopiero rusza.

Startupy nie pracują nad wielkimi urządzeniami, takimi jak ITER. Zamiast tego tworzą niewielkie tokamaki, których celem jest dostarczanie stosunkowo ograniczonej ilości energii. Nie chodzi o postawienie jednej, wielkiej elektrowni fuzyjnej, ale setek mniejszych, zastępujących istniejące dzisiaj źródła energii.

To droga podobna do tej, jaką wybrali projektanci tzw. małych reaktorów modułowych (SMR) - opracowywanych przez kilkadziesiąt startupów niewielkich, konwencjonalnych elektrowni atomowych, wykorzystujących do produkcji reakcję rozszczepiania jąder atomów. SMR-y mają być produkowane seryjnie i nadawać się do instalacji w istniejących już elektrowniach - po to, by skorzystać z zainstalowanej już infrastruktury takiej, jak sieci energetyczne i transformatory.

Małe reaktory mogą być stawiane pojedynczo lub w zestawach tak, by zastąpić i wielkie elektrownie, takie jak Bełchatów, i niewielkie, lokalne ciepłownie.

Następcy reaktora SPARC mają funkcjonować dokładnie tak samo. Z jednym wyjątkiem. Ich działalność ma być absolutnie bezpieczna, tańsza i nie generować odpadów. Jeśli tylko zdobędziemy do nich paliwo.

Teoretycznie paliwem do reakcji fuzyjnej może być zwykła woda. Teoretycznie, bo w praktyce pojawia się wiele problemów. Istnieje kilka "przepisów" na przygotowanie syntezy jądrowej, które opierają się na różnych kombinacjach atomów.

Najbardziej obiecującą kombinacją jest obecnie fuzja atomu deuteru z atomem trytu. Proces, który wymaga temperatury około 39 milionów stopni Celsjusza, wytwarza energię o wartości 17,6 miliona elektronowoltów. Deuter jest obiecującym składnikiem, ponieważ jest izotopem wodoru. Z kolei wodór jest kluczowym składnikiem wody. Litr wody morskiej może wytworzyć tyle samo energii, co 1000 litrów benzyny.

Na świecie jest mnóstwo deuteru: izotop ten stanowi 0,016 proc. naturalnego wodoru, dlatego morza są nim dosłownie zalane. Jednak tryt naturalnie powstaje tylko w małych ilościach i rozpada się bardzo szybko. Jego tzw. okres półtrwania wynosi zaledwie 12 lat, więc stale zanika i musi być wytwarzany na nowo.

W zasadzie można go "wyhodować" w wyniku reakcji syntezy jądrowej, ponieważ neutrony wytwarzają go, reagując z litem. Większość projektów reaktorów zakłada więc otoczenie komory reaktora warstwą litu, który służyłby do produkcji paliwa. Niemniej jednak technologia ta nie została sprawdzona na dużą skalę i nikt tak naprawdę nie wie, jak dobrze sprawdzi w praktyce.

Istnieją także inne, bardziej egzotyczne pomysły na paliwo dla reaktorów fuzyjnych. Jednym z nich jest tzw. hel-3, izotop pierwiastka, który wyjątkowo dobrze nadaje się do syntezy jądrowej. Niestety niemal nie występuje na Ziemi. Jego najbliższym bogatym źródłem ma być powierzchnia Księżyca. Pierwsze startupy obiecują już jego wydobywanie i dostarczanie na Ziemię w latach 30-tych, jednak takie zapowiedzi dobrze potraktować z dużą dozą ostrożności.

Podczas konferencji klimatycznej COP28, która odbyła się w Dubaju w grudniu 2023 r., specjalny wysłannik USA ds. klimatu John Kerry oświadczył: "Fuzja termojądrowa ma potencjał, aby zrewolucjonizować nasz świat". Zapowiedział w ten sposób międzynarodowy projekt obejmujący 35 krajów, który ma pobudzić badania i rozwój syntezy jądrowej, a także stworzyć globalne regulacje dotyczące jej bezpieczeństwa.

O ile bowiem nikt nie obawia się o "fuzyjny Czarnobyl" - istniejące projekty elektrowni po prostu nie są w stanie eksplodować i nie produkują wysoce radioaktywnych odpadów - o tyle pod znakiem zapytania pozostaje to, jak pod wpływem ogromnych sił będą zachowywać się części samych reaktorów.

Poddane bombardowaniu neutronami z pewnością będą stawać się radioaktywne, i, choć poziom ich radioaktywności ma być zdecydowanie niższy niż w przypadku odpadów z konwencjonalnych elektrowni jądrowych, trzeba będzie coś z nimi zrobić. Problemem do rozwiązania jest też stworzenie technologii, które uniemożliwiłyby wykorzystywanie elektrowni fuzyjnych do produkcji izotopów wykorzystywanych w budowie broni jądrowej.

Najważniejszym problemem jest jednak czas. Nawet najwięksi optymiści zakładają, że energetyka fuzyjna może stać się istotnym elementem naszego miksu energetycznego dopiero około połowy tego stulecia. Tymczasem, jeśli mamy zahamować zmiany klimatyczne zanim te przybiorą naprawdę katastrofalne rozmiary, do tej pory powinniśmy już drastycznie ograniczyć nasze emisje, a najlepiej osiągnąć próg zerowych emisji netto. Oznacza to, że fuzja może być doskonałym rozwiązaniem na przyszłość. Ale nie rozwiąże najbardziej palących problemów kryzysu klimatycznego.

Pozostaje jednak liczyć na to, że stary kawał, opowiadany przez fizyków, wreszcie przestanie być prawdą. Brzmi on tak: "Energia fuzyjna jest energią przyszłości. I zawsze nią będzie".