Fuzja jądrowa – ile jeszcze czasu poczekamy?

Od kilku lat pomysł wykorzystania fuzji jądrowej w celu otrzymania energii wydaje się co raz bardziej realny. Idea pokojowego użycia tego zjawiska ukształtowała się już w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Przewidywano, że fuzję da się ujarzmić w ciągu kilkudziesięciu lat tak, że pod koniec wieku, każdy mógłby cieszyć się z samochodu z „silnikiem termojądrowym na wodę morską”. Jak na razie ciągle są to marzenia, ale zaawansowane badania i pozytywne wyniki eksperymentów pozwalają na oddalanie się od sfery science fiction w stronę rzeczywistości.

Fuzję jądrową obserwujemy każdego dnia patrząc na Słońce, ponieważ to ta reakcja jest głównym źródłem energii gwiazd. Proces fuzji (syntezy) polega na łączeniu się lekkich jąder atomowych, tworząc jedno ciężkie (nie większe od jądra żelaza) wyzwalając przy tym ogromną ilość energii. Lekkie pierwiastki, mimo że występują w formach trwałych, mogą chwilowo przezwyciężyć odpychanie kulombowskie i połączyć się. Przeszkoda, jaką jest odpychanie się dodatnich ładunków jąder zostaje przezwyciężona przez wysoką temperaturę gazu, tzn. wzrasta energia kinetyczna cząstek, czyli prawdopodobieństwo zderzenia i energia takiego zajścia jest bardzo duża. Stąd też niezbędne jest źródło ciepła, będące „zapalnikiem reakcji”. Występowanie zjawiska tunelowania pozwala chwilowo na pojawienie się cząstek w „obszarze niemożliwym” w ujęciu fizyki klasycznej. Ten efekt, wynikający z zasady nieoznaczoności z fizyki kwantowej, pozwala na „wspólne połączenie sił” dwóch cząstek w celu pokonania bariery ich dzielącej. W wyniku tego, nie potrzeba temperatury rzędu 1010 K (kelwina), aby wywołać fuzję jądrową – wystarczy wnętrze gwiazdy z temperaturą rzędu 107 K. Poza tym efekt tunelowania, może być nadzieją do osiągnięcia zimnej fuzji, która w dalszym ciągu jest fikcją literacką i filmową.

Jakie właściwe izotopy da się uzyskać na drodze syntezy? Teoretycznie każde, ale tylko te lżejsze od żelaza w wyniku fuzji wyzwalają więcej energii, niż trzeba by włożyć, aby zainicjować reakcję. Pierwiastki cięższe od żelaza znakomicie nadają się natomiast do reakcji rozszczepienia, gdyż wtedy bilans energetyczny jest dodatni. Istnieje kilka cyklów reakcji, według których przebiega reakcja syntezy. Najprostszy to cykl protonowo – protonowy (ppI), rys. 1. Pierwsza reakcja zachodzi między dwoma protonami w  wodorze, w wyniku czego powstaje inny izotop wodoru- deuter. Ten z kolei zachodząc w reakcję z innym jądrem, inicjuje powstanie 3He. Nowo powstały izotop łącząc się w procesie fuzji z innymi jądrami powoduje tworzenie 4He i dwóch 1H, które mogą brać udział w kolejnym cyklu. Inne cykle pozwalają na syntezę berylu, litu, boru, azotu, tlenu, czy też węgla.

Rys. 1 Schemat cyklu ppI (źródło: fotolia.pl)

Rys. 1 Schemat cyklu ppI (źródło: fotolia.pl)

Ilość energii wyzwolona podczas takiego cyklu jest około 15 razy mniejsza niż podczas rozszczepienia izotopu 235U. Należy jednak pamiętać, że w teoretycznym 1 kg takiego izotopu jest około 100 razy mniej jąder niż w teoretycznym 1 kg deuteru.

Na Ziemi możliwe jest również wywołanie reakcji syntezy jądrowej, która jest mniej lub bardziej kontrolowana. Pierwsze doświadczenia na tym polu to budowa i detonacja bomby termojądrowej. Ze względu zupełny brak kontroli nad przebiegiem reakcji w bombach, tzn. wywołanie lawinowej reakcji rozszczepienia plutonu, a następnie produkcji deuteru z litu oraz syntezy izotopów wodoru, podejście takie jest jedynie wykorzystane w agresywnych celach militarnych.

Czynione są jednak prace nad pokojowym wykorzystaniem fuzji jądrowej. Najstarsze badania wywodziły się oczywiście z prac poczynionych nad konstrukcją bomby. Na pomysł ten wpadli prawie równocześnie dwaj niezależni naukowcy Edward Teller oraz Andriej Sacharow. Mieli oni nie tylko duży wkład w dziedzinie fizyki jądrowej, ale też przyczynili się do pokojowego wykorzystania energii drzemiącej w atomie, mimo swoich udziałów w jądrowych projektach militarnych.

Powstała idea, według której, aby zainicjować reakcję należy wykorzystać laser – tzw. inercyjne uwięzienie plazmy. Wiązka światła o dużej energii skupiona jest wtedy na maleńkiej kulce z paliwem (deuter – tryt). Idea ta jest rozwijana w kalifornijskim ośrodku badawczym National Ignition Facility  w Stanach Zjednoczonych (rys. 2). Mimo pięcioletniego opóźnienia w realizacji planu i czterokrotnie przekroczonego budżetu pierwsze próby przeprowadzono w październiku 2010 roku. Moc lasera to 500 terawatów. Jest to ogromna moc skupiona w jednej wiązce, którą można jedynie porównać do 5.000.000.000.000 (pięciu bilionów) skupionych żarówek 100 W. Ponieważ jest to urządzenie badawcze „zapłon” może być inicjowany tylko 5 razy na dobę. Przeprowadzone eksperymenty potwierdziły w większości założenia dotyczące bilansu energetycznego, tzn. trwający kilka pikosekund (kilka bilionowych części sekundy) impuls lasera niesie energię rzędu 4 MJ (1MJ = milion J) inicjując reakcję w kulce paliwowej o średnicy 2 mm, w wyniku której emitowane jest do 45 MJ. Następnym krokiem jest budowa LIFE (Laser Inertial Fusion Energy), który pozwoli na inicjowanie reakcji do kilkunastu razy na sekundę, a technologia rodem z filmów Star Trek stanie się możliwa do osiągnięcia.

Rys. 2 Wnętrze komory eksperymentalnej w ośrodku badawczym National Ignition Facility  (źródło: Lawrence Livermore National Laboratory)

Rys. 2 Wnętrze komory eksperymentalnej w ośrodku badawczym National Ignition Facility
(źródło: Lawrence Livermore National Laboratory)

Innym podejściem w przypadku fuzji jest próba uwięzienia plazmy, czyli gorących zjonizowanych gazów w silnym polu magnetycznym. Koncepcja ta została rozwinięta w urządzeniu zwanym tokamakiem. W komorze o kształcie torusa, czyli bryły, która przypomina obwarzanek z pustym wnętrzem, umieszczona jest mieszanina gazowa deuteru i trytu. Indukowany prąd elektryczny przez zmienne pole magnetyczne, powoduje wyładowania w gazie, ogrzewając go tym samym, co prowadzi do powstania plazmy. Zjonizowany gaz pozostaje jednak w pierścieniu, ze względu na silne „zewnętrzne” pole magnetyczne urządzenia. Pierwsze takie badawcze urządzenia powstały na terenie byłego związku ZSRR i z powodzeniem funkcjonują do dzisiaj. Największy jak do tej pory sukces odniósł JET (Joint European Torus), rys. 3. W 1978 roku Unia Europejska zainicjowała powstanie tego projektu. Już w 1983 „wyprodukowano” pierwszą  plazmę. Największa osiągnięta moc w wyniku syntezy to 16 MW, a „czas życia” plazmy wynosił od 5 do 30 sekund.

Rys. 3 Wnętrze tokamaka JET (źródło: European Fusion Development Agreement)

Rys. 3 Wnętrze tokamaka JET (źródło: European Fusion Development Agreement)

Pozytywne doświadczenia w przeprowadzonych eksperymentach doprowadziły do podjęcia decyzji o wspólnej budowie największego na świecie tokamaka pod nazwą ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), rys. 4, 28 czerwca 2005 roku przez Unię Europejską, Rosję, Stany Zjednoczone, Japonię, Chiny, Indie i Korę Południową. Jak na razie jest to jedno z najdroższych przedsięwzięć na świecie, które można porównywać jedynie do budowy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Inwestycja trwa w Cadarache we Francji. Mimo opóźnień i kilkakrotnie przekroczonego budżetu koniec budowy planuje się już w 2018 rok, a podtrzymanie fuzji deuteru i trytu około 2027 roku. Docelowo moc osiągnięta w ITER ma wynosić 500 MWt. Jest to też pierwsza tego typu instalacja, która ubiega się o zezwolenia przez Agencję Bezpieczeństwa Jądrowego.

Następnym krokiem ma być DEMO – demonstracyjna elektrownia o mocy 2000 MWt wykorzystująca fuzję do produkcji energii elektrycznej. Gotowe rozwiązania mają być przygotowane nie później niż do 2020 roku. Na 2025 rok planuje się rozpoczęcie budowy i uruchomienie pierwszej komercyjnej elektrowni w 2035 roku. Wtedy też będzie wiadomo, czy synteza jądrowa jest opłacalna, a jeśli nie to kiedy będzie.

Rys. 4 Schemat poglądowy ITER (źródło: http://www.iter.org/)

Rys. 4 Schemat poglądowy ITER (źródło: http://www.iter.org/)

Mimo kontrowersji, które budzi fuzja jądrowa, podobnie jak wykorzystanie rozszczepienia jąder uranu, to właśnie ona może stać się podwaliną energetyki drugiej połowy XXI wieku. Wciąż stoją wyzwania, które trzeba pokonać, aby elektrownie wykorzystujące syntezę okazały się sukcesem. W dalszym ciągu borykamy się z materiałami, które wytrzymają wysoką temperaturę pracy oraz ciągłe bombardowania neutronami przez wiele lat. Dużo trudności sprawia dobór odpowiednich materiałów w komorze z plazmą oraz efektywny odbiór od niej ciepła. Wyzwaniem jest również przejście z utrzymania plazmy z kilkudziesięciu sekund do kilkunastu godzin. Z drugiej strony elektrownie takie dawałyby nieograniczony dostęp do taniej energii, gdyż 1 m3 wody morskiej zawiera 30 g deuteru, natomiast tryt może być generowany w samej komorze pozyskiwany z litu. Produkty reakcji nie są niebezpieczne dla człowieka, natomiast sama konstrukcja i budynek musiałyby być pod specjalnym nadzorem, przez jedynie 30-40 lat. Znajdzie się również wielu sceptyków mówiących o tym, że fuzja to zawsze będą mrzonki, jednak to właśnie wizjonerzy zmieniają świat z dnia na dzień.


Bibliografia:
[1] www.efda.org
[2] www.iter.org
[3] lasers.llnl.gov
[4] world-nuclear.org/info/Current-and-Future-Generation/Nuclear-Fusion-Power/#.UhHZ99LGrSg
[5] www.fusion-eur.org
[6] Popularna encyklopedia fizyki kwantowej, J. Gribbin, ISBN: 83 7245 178 8

Anna Przybyszewska

mgr inż. Anna Przybyszewska – absolwentka Energetyki Jądrowej, na Wydziale Energetyki i Paliw, na Akademii Górniczo – Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie. Aktualnie studentka studiów doktoranckich na tym samym Wydziale.

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *