Fuzja jądrowa – Święty Graal energetyki. Ogromna, bezpieczna moc bez emisji
Świat cały czas szuka sposobów na pozyskiwanie jak największej ilości energii możliwie najniższym kosztem. Reaktory termojądrowe, nazywane także „sztucznymi słońcami”, mają szansę dać nam praktycznie nieograniczone zasoby energii. Kilka krajów pracuje już nad elektrowniami termojądrowymi, choć już wiadomo, że nie jest to rozwiązanie bez wad.
Pod koniec 2021 roku Chinom udało się dokonać kolejnego przełomu w technologii fuzji jądrowej. Eksperymentalny tokamak zwany EAST (ang. Experimental Advanced Superconducting Tokamak). działał łącznie przez 1056 sekund w temperaturze gorącej plazmy. Wcześniej osiągnięto inny kamień milowy - tokamak w czasie 101 sekund osiągał niebagatelną temperaturę aż 120 mln stopni Celsujsza. Tokamak to specjalna magnetyczna komora w kształcie pierścienia, w której rozgrzany do ponad 100 mln stopni Celsjusza gaz (plazma) kontrolowany jest za pomocą silnych magnesów.
Niesamowicie wysoka temperatura osiągana w reaktorach termojądrowych to jedna z cech charakterystycznych tej technologii. Dzieje się tak, ponieważ do zachodzącej wewnątrz reakcji potrzebna jest ogromna energia, osiągana właśnie dzięki ekstremalnie wysokiej temperaturze. Wytworzona energia konieczna jest, aby doszło do połączenia lżejszych jąder atomów w cięższe. Stąd właśnie nazwa "fuzja" bądź "synteza" jądrowa.
Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i się odpychają. Można je jednak ze sobą połączyć. Aby do tego doszło, muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Konieczna do tego jest energia kinetyczna jąder uzyskiwana właśnie dzięki wysokiej temperaturze.
Reaktory termojądrowe często potocznie nazywa się "sztucznymi słońcami", ponieważ reakcja ta występuje naturalnie właśnie na Słońcu oraz innych gwiazdach i jest ich głównym źródłem energii obok grawitacji. W kosmosie obserwuje się syntezę jąder helu, które powstają z wodoru bądź węgla, azotu i tlenu. Większość testowanych reaktorów do odtworzenia tej reakcji w celu pozyskania energii wykorzystuje izotopy wodoru: deuter i tryt.
Świat inwestuje w fuzję jądrową
Badania nad reakcjami termojądrowymi jako potencjalnym źródłem energii prowadzą nie tylko Chiny. Elektrownie fuzyjne badają fizycy na całym świecie w kilku projektach. Są to np. wspierany przez Billa Gatesa SPARC w USA i KSTAR w Korei Południowej. Eksperymenty nad fuzją termojądrową prowadzone są także w Europie.
Na bazie doświadczeń zdobytych m.in. przy brytyjskim tokamaku Joint European Torus (JET), który powstał jeszcze w latach 80., we Francji budowany jest ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Jest to wspólne przedsięwzięcie Unii Europejskiej, USA, Rosji, Chin, Japonii i Indii, a jego koszt szacowany jest na 10-20 mld euro. Projekt ten ma za zadanie zbadać, czy fuzja termojądrowa może stać się powszechnym źródłem energii. Pełną gotowość ma osiągnąć w 2035 roku.
Zadaniem ITER będzie przygotowanie gruntu dla kolejnej generacji reaktorów, które będą w stanie osiągać moc nawet 5-krotnie większą od typowej elektrowni jądrowej i umożliwienie stworzenia do 2040 r. pierwszego demonstracyjnego reaktora termojądrowego. Dzięki niemu będzie możliwe także osiągnięcie dłuższego czasu fuzji jądrowej (do tej pory liczona jest ona zaledwie w sekundach) oraz wyprodukowanie energii na cele inne niż działanie samego tokamaka. To właśnie jedno z największych wyzwań dotychczasowych eksperymentów z fuzją jądrową: póki co naukowcy są wytworzyć tylko tyle energii, aby zasilić samo urządzenie. ITER ma po raz pierwszy wyprodukować energię netto.
Elektrownie termojądrowe: Wady i zalety
Choć pierwsze elektrownie termojądrowe powstaną najszybciej w drugiej połowie XXI wieku, to już teraz można uznać tę technologię za bardzo obiecującą. Nie jest ona jednak bez wad i posiada też swoich krytyków.
Jedną z największych potencjalnych zalet fuzji jądrowej jest wytwarzanie ogromnej ilości energii przy praktycznie zerowych emisjach szkodliwych gazów. Jedynymi produktami ubocznymi reakcji są niewielkie ilości helu. Do przeprowadzenia reakcji potrzeba także niewielkiej ilości paliwa, co oznacza, że technologia ta jest bezpieczna dla ludzi, bo nie grozi wypadkiem jądrowym na dużą skalę.
Kwestią sporną jest już natomiast produkcja paliwa do elektrowni fuzyjnych. O ile deuter można ekstrahować z wody, tryt pozyskuje się najczęściej z reakcji jądrowych. Eksperymentalne tokamaki zużywają obecnie zaledwie gramy deuteru i trytu, ale do komercyjnego wykorzystania tej technologii będzie potrzeba wielu ton tego materiału. Nie zmienia to faktu, że, w porównaniu choćby z elektrowniami węglowymi wymagającymi 10 tys. razy więcej paliwa, fuzja jądrowa jest nadal niezmiernie efektywna. Pytanie tylko, czy będziemy w stanie w przyszłości sprostać tak podwyższonemu zapotrzebowaniu na tryt - szacuje się bowiem, że sam eksperyment ITER może pochłonąć większość jego obecnych zasobów.
Elektrownie jądrowe to także niestety odpady radioaktywne. Tylko z tokamaka ITER może ich powstać aż 30 tys. ton. Technologia fuzji jądrowej ma jednak pod tym kątem znaczną przewagę nad tradycyjnymi elektrowniami jądrowymi - odpady promieniotwórcze będące jej skutkiem ubocznym mają znacznie krótszy czas rozpadu (ok. 10 lat). Większy problem niż same odpady radioaktywne będą stanowić prawdopodobnie komponenty przyszłych elektrowni. Te jednak, według szacunków, będą mogły zostać poddane recyklingowi po ok. 100 latach.
