​Amerykańskie startupy chcą uruchomić pierwszą fuzyjną elektrownię

Wśród fizyków jądrowych od lat krąży dość ponury żart: "Fuzja atomowa jest energią przyszłości. I zawsze nią będzie". Źródłem wisielczego humoru jest fakt, że choć prace nad energią fuzji trwają od dziesięcioleci, to zawsze znajduje się tuż poza naszym zasięgiem. Kiedy uda się pokonać jeden problem, jego miejsce zajmuje zupełnie nowy. Tymczasem ludzkość nie zna lepszego źródła energii. To właśnie fuzja atomowa jest silnikiem, który napędza Słońce. W każdej sekundzie w jądrze naszej gwiazdy 600 mln ton atomów wodoru, pod wpływem ciśnienia i temperatury, łączy się tworząc 596 mln ton atomów helu. Ta niewielka różnica w masach jest kluczem do niewyczerpanej mocy.

Źródło energii fuzyjnej leży w słynnym równaniu Alberta Einsteina, E=mc2. Niewielka ilość masy tracona podczas procesu spajania się atomów wodoru zmienia się w ogromne ilości energii. Wodór o masie piłki tenisowej z łatwością zasiliłaby miasto wielkości Warszawy przez miesiąc.

Prace nad zrozumieniem i ujarzmieniem fuzji trwają od dziesięcioleci. Reaktory fuzyjne nie potrzebują drogiego, rzadkiego paliwa: są zasilane ciężkim wodorem i litem, które można wydobywać z wody morskiej i ich zapasy na Ziemi wystarczyłyby na zasilenie naszej dzisiejszej cywilizacji przez 30 mln lat. Reakcja fuzyjna, choć wymaga osiągnięcia temperatur spotykanych w sercach gwiazd, jest bardzo delikatna i - jak mówią naukowcy - wygaszenie jej jest łatwiejsze, niż zdmuchnięcie zapałki. Nie ma więc zagrożenia katastrofą reaktora.

Naukowcy opracowali technologie pozwalające na podgrzanie gazów do temperatur wyższych, niż w jądrze Słońca. Stworzyli urządzenia bezpiecznie utrzymujące taką plazmę w polu magnetycznym. Opracowali dziesiątki systemów sterujących i zabezpieczających reakcję. Dokonali przełomowych odkryć. Mimo to budowa praktycznej elektrowni fuzyjnej wciąż jest poza ich zasięgiem. Wszystkie działające dziś reaktory fuzyjne, w większości oparte o technologię tzw. tokamaków, zużywają więcej energii niż generują.

Inny żart fizyków mówi, że energia fuzyjna opiera się na prawie "zachowania poziomu trudności". Gdy jeden problem jest rozwiązany, inny problem o identycznym poziomie trudności zajmuje jego miejsce. Największym problemem od wielu lat jest nie brak naukowej czy technicznej wiedzy, a brak funduszy.

W 1976 r. amerykańska Administracja Badań i Rozwoju Energetyki opublikowała badanie, które szacowało, kiedy fuzja atomowa może stać się źródłem energii. Z analizy wynikało, że przy inwestycjach sięgających 9 mld dzisiejszych dolarów rocznie, pierwsze elektrownie fuzyjne mogłyby pojawić się w 1990 r. Gdyby jednak rząd przeznaczył na ich rozwój miliard dolarów lub mniej, takie elektrownie mogłyby nie pojawić się nigdy. W tym roku USA wyda na badania nad fuzją 670 mln dol. (w tym samym czasie subsydia dla paliw kopalnych mają wynieść 650 mld dol.).

Przez jakiś czas wydawało się, że sytuacja będzie wyglądać zupełnie inaczej. Badanie zbiegło się w czasie z wielkim kryzysem naftowym lat siedemdziesiątych. Galopujące ceny ropy sprawiły, że i Amerykanie i Europejczycy zaczęli inwestować w rozwój energetyki fuzyjnej. W 1976 r. stworzono Centrum Fuzji Plazmy na politechnice MIT. W 1983 r. powołano do życia Wspólny Europejski Torus - eksperymentalny reaktor fuzyjny stworzony w brytyjskim Culham. Badacze ustanawiali kolejne rekordy i wydawało się, że rozwiązanie problemów technicznych stojących na drodze fuzyjnej energetyki jest bardzo bliskie. "To był ekscytujący czas" - mówi magazynowi New Yorker Michael Mauel, profesor fizyki stosowanej na Uniwersytecie Columbia, dodając: "Byliśmy przekonani, że to my rozwiążemy wszystkie problemy"

Entuzjazm zgasł w latach 90. wraz ze spadkiem cen ropy, który sprawił, że decydenci stracili zainteresowanie fuzją i obcięli wydatki na badania alternatywnych źródeł energii. "Nauczyliśmy się wydobywać ropę i gaz skąd się da" - mówił magazynowi brytyjski fizyk Steven Cowley: "Teraz musimy nauczyć się pozostawiać ją w ziemi, żeby przetrwać. To aż tak proste".

Wielkie, międzynarodowe projekty badań nad fuzją wciąż trwają. Największym z nich jest ITER - ogromny reaktor budowany w południowej Francji przez konsorcjum, w skład którego wchodzą Unia Europejska, Chiny, USA, Rosja, Japonia, Indie, Szwajcaria i Wielka Brytania przy współudziale Australii, Kazachstanu, Tajlandii i Kanady. Budowany od 2007 r. ITER ma zostać uruchomiony w 2025 r. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, warte dziesiątki miliardów euro urządzenie wygeneruje przed 2035 r. 500 MW mocy. Jego następca, DEMO, ma około 2051 r. generować tyle mocy, co dzisiejsze konwencjonalne i atomowe elektrownie.

"ITER jest naukowo ciekawy, ale nie jest ciekawy ekonomicznie" - kwituje w "New Yorkerze" Dennis Whyte, dyrektor Centrum Nauki Plazmy i Fuzji na MIT. Whyte jest jednym z inżynierów, którzy postanowili udowodnić, że praktyczną fuzję atomową można osiągnąć szybciej i taniej. Nie za dziesięciolecia, a już teraz.

Zamiast tworzyć urządzenie, które będzie doskonałe, postanowili zbudować reaktor "wystarczająco dobry". Podstawą mają być opracowane niedawno wysokotemperaturowe nadprzewodniki. Nadprzewodnik to materiał, który nie stawia oporu przepływającej przez niego elektryczności. Doskonale nadaje się więc do budowy elektromagnesów, które są kluczowym elementem fuzyjnych reaktorów. Pierwsze nadprzewodniki odkryte przez naukowców wymagały jednak  schładzania do niezwykle niskich temperatur, co wiązało się z ogromnym poborem mocy.

Nadprzewodnikowe magnesy mogłyby pozwolić na stworzenie o wiele mniejszych i efektywniejszych reaktorów. "Za każdym razem, kiedy podwajasz siłę pola magnetycznego, objętość plazmy niezbędnej do wyprodukowania tej samej ilości energii spada szesnastokrotnie" - tłumaczy Whyte. Jego zespół zaczął projektować serię reaktorów opartych na nowych materiałach. Pierwszy z nich otrzymał nazwę Vulcan. Drugi - ARC, co było skrótem od słów "affordable, robust and compact", czyli "opłacalny, odporny i niewielki". ARC miał być modułowy i łatwy w utrzymaniu. Przy rozmiarach dziesięciokrotnie mniejszych, niż ITER, miał dawać moc wystarczającą do zasilenia miasta średniej wielkości.

Pierwsze eksperymenty są bardzo obiecujące. 5 września ubiegłego roku inżynierowie pracujący nad nowym reaktorem odpalili stworzone przez siebie magnesy nowej generacji. Po trzech latach prac, udało im się osiągnąć moc indukcji magnetycznej rzędu 20 Tesli. Dla porównania, magnes na lodówce to około 0,001 Tesli. Rezonans magnetyczny osiąga 1,5 Tesli. A elektromagnesy unoszące lewitujące pociągi mają moc rzędu 5 Tesli.

Nowe elektromagnesy mają stanowić podstawę prototypowego reaktora znanego jako SPARC. Jest już w budowie i ma zostać uruchomiony około 2025 r. Koszt jego budowy to ułamek kosztów poniesionych przy projekcie ITER. A jeśli zadziała, jego następca już w 2030 r. ma zacząć dostarczać około gigawata mocy do sieci elektrycznej. Aby go zbudować, inżynierowie powołali współpracującą z MIT firmę Commonwealth Fusion Systems. Wśród jej sponsorów są europejskie koncerny energetyczne, a wielu pracowników ma na koncie równie szalone inżynierskie projekty realizowane dla SpaceX czy Tesli. ITER i DEMO są uznawane za konserwatywne, bezpieczne i pewne plany, które mogą dać energię fuzyjną pokoleniu naszych wnuków i prawnuków. SPARC i ARC, choć budzą ogromne emocje i wątpliwości wśród fizyków - wielu z nich twierdzi, że wiemy wciąż zbyt mało o procesach zachodzących w fuzyjnych reaktorach, by obiecywać złote góry - mają to zrobić przed końcem tej dekady.

CFS nie jest zresztą jedyną firmą pracującą nad energią fuzyjną. Kryzys klimatyczny dał mocny impuls do pracy nad technologiami, które jeszcze niedawno uważane były za zbyt niepewne i niedostatecznie przebadane. Oprócz zespołu z MIT swoje własne reaktory opracowuje kanadyjskie General Fusion, wspierane finansowo przez Jeffa Bezosa, czy kalifornijskie TAE które chce stworzyć fuzyjne reaktory działające w oparciu o boron, który nie dawałby żadnych promieniotwórczych odpadów, ale wymaga jeszcze wyższych temperatur. Na całym świecie co najmniej 20 innych firm pracuje nad własnymi projektami fuzyjnych elektrowni.

- Energia to rynek - mówi współtwórca reaktora ARC, Bob Mumgaard, dodając: - Jeśli wiesz, że istnieje rynek wart 10 bln dol., to generuje zainteresowanie. Nie ma takiego rynku nawet na komputery czy media społecznościowe. Ale na pewno jest na energię.

Jeśli inżynierowie dopną swego, czeka nas rewolucja energetyczna jakiej świat nie widział od wynalezienia maszyny parowej. I będziemy o wiele bliżej rozwiązania kryzysu klimatycznego. Fuzja jest dla energetyki tym, czym lądowanie na Księżycu było dla inżynierów lotniczych. Ale jej wpływ na nasze życie może być o wiele większy.