Co z tą fuzją?

Astronomowie szacują, że w Drodze Mlecznej jest ok. 100 mld gwiazd. Najbliższa nam to oczywiście Słońce, które od ponad 4,5 mld lat oświetla naszą planetę. Dla fizyka jądrowego wszystkie te ciała niebieskie to nic innego jak potężne reaktory nuklearne, będące podstawowym źródłem energii wszechświata. Nieustannie zachodzą w nich reakcje łączenia się jąder atomów, wskutek czego uwalniają ogromne ilości energii. Najlepiej poznaną reakcją fuzji jądrowej, która napędza chociażby nasze Słońce, jest synteza helu z deuteru i trytu, czyli izotopów wodoru (patrz ramka). To właśnie ten proces staramy się odtworzyć na Ziemi.

Cieplej niż w sercu słońca

By połączyć dwa atomy, trzeba przezwyciężyć ogromne siły, które odpychają od siebie ich dodatnio naładowane jądra. We wnętrzu Słońca proces fuzji jądrowej zachodzi dzięki wysokiej temperaturze sięgającej 15 mln °C oraz miażdżącemu ciśnieniu, 100 mld razy wyższemu od ciśnienia atmosferycznego na Ziemi. W tak ekstremalnych warunkach powstaje plazma, czyli czwarty stan skupienia materii, zawierający obdarzone dużą prędkością cząstki deuteru i trytu. Zderzają się one ze sobą z ogromną siłą i łączą w cząstki helu, wybijając neutrony i uwalniając energię.

Na Ziemi plazmę o zbliżonych właściwościach otrzymuje się w reaktorach jądrowych, z czego najpopularniejsze są tzw. tokamaki. Pierwszy tokamak został stworzony w 1950 r. przez rosyjskich naukowców pod kierownictwem Lwa Arcymowicza. Otrzymanie wysokich temperatur nie stanowiło dla konstruktorów urządzenia większych kłopotów. Plazma w tokamaku jest po prostu podgrzewana poprzez jednoczesne zastosowanie kilku technik: przepuszczanie przez nią prądu o dużym natężeniu, bombardowanie wysokoenergetycznymi cząstkami i użycie mikrofal. Problemem nie do pokonania jest za to odtworzenie ekstremalnie wysokich ciśnień. Dlatego aby nadać cząstkom deuteru i trytu odpowiednią prędkość, podgrzewa się je do temperatury jeszcze większej niż ta panująca w jądrze Słońca, tj. do 100–150 mln °C.

W pułapce magnetycznej

Oczywiście żaden materiał nie wytrzyma takich temperatur i już pierwszy kontakt ścian reaktora z gorącą plazmą zakończyłby się jego zniszczeniem. Dlatego zastosowano tu tzw. pułapkę magnetyczną, która ściska plazmę i trzyma ją w odpowiedniej odległości od ścian reaktora. Aby to osiągnąć, należy wytworzyć potężne pole magnetyczne, którego linie mają spiralny kształt. Do generowania spiralnych linii potrzebne są z kolei dwie składowe – pole toroidalne i pole poloidowe. Pole toroidalne jest wytwarzane za pomocą masywnych elektromagnesów i sprawia, że plazma porusza się po torze w kształcie torusa, czyli pączka z dziurką. Natomiast generowane przez przepływający przez plazmę prąd pole poloidowe tworzy okręgi, które otaczają ją ze wszystkich stron. W rezultacie cząstki plazmy poruszają się w zamkniętym obszarze, skręcając się przy tym jak nici DNA.

Wytworzenie tak silnego pola magnetycznego wymaga niemałych nakładów energetycznych, które dzisiaj przewyższają energię uzyskaną z fuzji. Najbliżej punktu równowagi był w 1997 r. angielski tokamak JET, który wygenerował w ciągu sekundy 16 MW energii przy nakładzie 24 MW. Z kolei francuskiemu Tore Supra udało się w 2003 r. ustabilizować plazmę na ponad 6 min, ale bez produkcji energii. Naukowcy są przekonani, że wyniki te można poprawić, budując większe reaktory. Cały czas trwa konstruowanie tokamaka o nazwie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), który będzie 10 razy większy od JET. Sam jego elektromagnes centralny, o wysokości 7-piętrowego budynku, wygeneruje pole magnetyczne 200 tys. razy większe niż ziemskie. Elektromagnesy będą natomiast chłodzone ciekłym helem o temperaturze –269°C, którego zużycie oszacowano na 12 tys. litrów na… godzinę. Cel tego monstrum to wytworzenie w ciągu 400 sekund 500 MW energii przy 10-krotnie mniejszym jej nakładzie.

Polityczne przepychanki

Taki projekt wymaga oczywiście ogromnych nakładów finansowych i dlatego mógł powstać tylko dzięki międzynarodowej współpracy. Budowę reaktora zaproponował w 1985 r. Michaił Gorbaczow. W kolejnych latach dołączyły do Rosji Stany Zjednoczone, Unia Europejska, Japonia, Chiny, Indie i Korea Południowa. Sam projekt został przedstawiony dopiero w 2001 r., a debaty nad miejscem jego budowy oraz podziałem ról między partnerami trwały aż trzy lata. Każdy chciał mieć bowiem jak największy udział w tworzeniu kluczowych elementów reaktora. W 2005 r. postanowiono, że ITER stanie w Cardarache we Francji, ale budowę rozpoczęto dopiero w 2007 r. Zniecierpliwieni politycznymi przepychankami naukowcy zaczęli więc tworzyć części do reaktora jeszcze przed pojawieniem się jego końcowego planu. Później okazało się, że niektóre z nich należało zmodyfikować, co skutkowało kolejnymi opóźnieniami i dodatkowymi kosztami.

Projektowi brakowało odpowiedniej koordynacji, a dialog pomiędzy krajami partnerskimi właściwie nie istniał. Zmieniło się to w 2015 r., kiedy pieczę nad przedsięwzięciem objął fizyk nuklearny Bernard Bigot. Nowy dyrektor ITER-a opracował realny plan działania i sprawił, że projekt powrócił na właściwe tory. W 2016 r. ogłoszono, że reaktor będzie w pełni funkcjonalny dopiero w 2035 r., a do zakończenia prac potrzeba kolejnych 4,6 mld euro. Oznacza to, że całkowity koszt inwestycji przekroczy 20 mld euro, czyli będzie wynosił cztery razy więcej, niż zakładano na początku. Nie wszystkie kraje są gotowe na kolejne wydatki związane z budową reaktora. Wszyscy z niepokojem spoglądają zwłaszcza na Stany Zjednoczone, które w 2017 r. postanowiły dokonać drastycznych cięć budżetowych na badania nad fuzją.

Kapryśna plazma

Oprócz problemów finansowych nie rozwiązano także wielu kwestii naukowych, które stawiają pod znakiem zapytania sukces całego projektu. Ponieważ plazma jest bardzo niestabilna, dochodzi w niej do punktowego i masowego uwalniania energii, porównywalnego do erupcji słonecznych. Te niekontrolowane zakłócenia mogą sprawić, że gorąca materia dotknie ścian reaktora i doprowadzi do jego uszkodzenia. Naukowcy stworzyli jednak metody pozwalające na wykrycie tych nieregularności i w celu zapobiegnięcia katastrofie proponują schłodzić lokalnie plazmę helem. Oczywiście techniki te opracowano na podstawie obserwacji zjawisk zachodzących w mniejszych tokamakach. Nie wiadomo, czy zadziałają na większą skalę, czyli w ITER-ze. Kolejne lata okażą się więc decydujące i pokażą, czy udało się w pełni zapanować nad plazmą. Przede wszystkim jednak przyniosą wreszcie odpowiedź na nurtujące nas od lat pytanie: czy dzięki fuzji jądrowej bilans energetyczny urządzenia stanie się dodatni?

Ponieważ ITER to tylko reaktor eksperymentalny, wytworzona energia nie posłuży do generowania elektryczności. Jednak w przypadku prawidłowej pracy pozyskane dane będą stanowiły podwalinę pod budowę nowego, jeszcze większego urządzenia – DEMO (DEMOnstration Power Station). Zakończenie jego konstrukcji przewidziano na 2055 r. Obiekt będzie pracował co najmniej 292 dni w roku, czyli podobnie jak dzisiejsze elektrownie atomowe (dla porównania: ITER będzie funkcjonował jedynie przez ok. 80 godz. rocznie). Przede wszystkim jednak przewiduje się,

że DEMO będzie wytwarzał 2 GW energii w sposób ciągły przy 25-krotnie mniejszym jej nakładzie. Chociaż na reaktor poczekamy jeszcze wiele lat, to już dzisiaj naukowcy starają się rozstrzygnąć kwestie technologiczne związane z jego budową i eksploatacją.

Niesforne neutrony

Jednym z problemów, jakie starają się rozwiązać fizycy jądrowi, jest wytworzenie ogromnych ilości trytu. Izotop ten na Ziemi praktycznie nie występuje, a jego wygenerowanie (zajmuje się tym kanadyjska firma Candu) pociąga ogromne koszty. 1 kg tego cennego paliwa wycenia się na 25 mln euro, jest więc jedną z najdroższych substancji na świecie. Zapasy trytu na świecie szacuje się na maksymalnie 40 kg i zostaną one całkowicie zużyte przez ITER. W związku z tym projekt DEMO przewiduje, że tryt musi być produkowany wewnątrz reaktora. W tym celu planuje się wyłożenie jego wnętrza powłoką ceramiczną na bazie litu. Pierwiastek ten wskutek bombardowania neutronami przemienia się w tryt. Neutrony, obok helu, są wytwarzane w efekcie reakcji fuzji, a ponieważ nie oddziałują z polem magnetycznym, to mogą łatwo wydostać się z plazmy i swobodnie uderzać w powłokę. Wszystko to sprawia, że produkcja trytu z litu może odbywać się bez dodatkowych nakładów energetycznych. Naukowcy rozważają także zastosowanie multiplikatorów neutronowych na bazie berylu, by zwiększyć wydajność procesu. Beryl po uderzeniu rozpędzonym neutronem rozpada się na mniejsze atomy, produkując przy tym dwa kolejne neutrony, które mogą być następnie użyte do bombardowania litu.

Niestety, litem nie możemy wyłożyć wszystkich części reaktora. Trwają więc debaty nad materiałem do ich wykonania. W dotychczasowych tokamakach używa się zwykłej stali, ale bombardowanie tego stopu wysokoenergetycznymi neutronami może doprowadzić do osłabienia mechanicznego reaktora. Świadomi tego problemu europejscy naukowcy opracowali nowe wersje stali, jak eurofer, w której najbardziej wrażliwe na bombardowanie elementy (jak nikiel i molibden) zostały wyeliminowane. Problem polega na tym, że nie możemy przetestować nowego stopu w warunkach rzeczywistych, gdyż nie wytwarzamy tak silnego strumienia neutronów. Aby do takich testów mogło w ogóle dojść, musiałby powstać nowy akcelerator cząstek i to 10 razy mocniejszy od obecnie istniejących. Co prawda w planach jest postawienie urządzenia tego typu o nazwie Donse, ale ze względu na opóźnienia w realizacji projektu ITER przesunięto także konstrukcję akceleratora. Pozostaje mieć nadzieję, że odpowiednie badania zostaną przeprowadzone przed budową DEMO.

Konkurencja nie śpi

Mimo że ITER pochłania miliardy euro i pracują przy nim rzesze naukowców, to nie brakuje śmiałków, którzy próbują mniejszym nakładem konkurować z gigantem. Jednym z nich jest dyrektor angielskiej firmy Tokamak Energy David Kingham, który dysponuje jedynie 30 mln euro i 40-osobowym zespołem. Tamtejsi naukowcy zbudowali reaktor ST40. W odróżnieniu od tradycyjnych tokamaków, w których plazma uzyskuje postać pączka z dziurką, ST40 nadaje jej kształt wydrążonego jabłka. W ten sposób można osiągnąć wyższe ciśnienia plazmy. Ponadto w ST40 zastosowano tzw. nadprzewodzące magnesy wysokotemperaturowe, które nie wymagają chłodzenia do –269°C, lecz „tylko” do –196°C. Pozwoli to na zmniejszenie zużycia ciekłego helu. W zeszłym roku udało się wytworzyć plazmę o temperaturze 15 mln °C, ale David Kingham ma nadzieję, że już niedługo jego zespół rozgrzeje ją do temperatury 100 mln °C. Gdyby mu się to powiodło, do 2025 r. mógłby zbudować większy reaktor, który byłby w stanie wyprodukować więcej energii, niż jej zużywa.

Mimo wielu zalet plazma wytwarzana w ST40 jest równie kapryśna jak ta w tradycyjnych tokamakach. Rozwiązaniem tego problemu zajęli się naukowcy z Max-Planck-Institut für Plasmaphysik w Niemczech, którzy w 2015 r. stworzyli stellarator o nazwie Wendelstein 7-X. W stellaratorach plazma porusza się po torze w kształcie rozciągniętego obwarzanka, a jego spiralny charakter nadawany jest wyłącznie przez zewnętrzne pole magnetyczne. Według badaczy w plazmie o takiej charakterystyce nie dochodzi do niekontrolowanych erupcji. Przy konstrukcji Wendelstein 7-X naukowcy użyli 70 potężnych elektromagnesów, ważących 6 t każdy, i dopasowali ich kształt oraz rozmieszczenie z precyzją do 1 mm. Pomysł nie jest nowy, gdyż pierwsze wzmianki o reaktorze tego typu pojawiły się już w 1950 r. w pracach naukowych astrofizyka amerykańskiego Lymana Spitzera. Jednak 70 lat temu ograniczenia technologiczne nie pozwalały na stworzenie magnesów o tak skomplikowanym kształcie.

W czerwcu 2018 r. ogłoszono, że niemieckim naukowcom udało się rozgrzać plazmę do 40 mln °C i utrzymać ją przez 26 s. Oczywiście celem jest rozgrzanie tego sztucznego słońca do 100 mln °C, co zagwarantuje rozpoczęcie reakcji fuzji i produkcję energii. Jednak do tego potrzeba większego reaktora i ogromnych nakładów finansowych na skalę ITER-a. Ale Mathias Klinger, szef projektu, jest dobrej myśli. Tokamaki i stellaratory wbrew pozorom nie różnią się bardzo od siebie, a 90% rozwiązań zastosowanych w ITER-ze sprawdzi się także w Wendelstein 7-X i vice versa. Być może reaktory przyszłości będą łączyć najlepsze rozwiązania konkurujących dziś ze sobą projektów. Jedno jest pewne: sukces chociażby jednego z nich sprawiłby, że nie musielibyśmy się już martwić, skąd czerpać energię.

***

Trzy oblicza wodoru

W naturze wodór występuje w trzech odmianach (tzw. izotopach) jako prot, deuter i tryt. Jądro protu, który stanowi 99,98% wszystkich atomów wodoru, składa się z jednego protonu. Deuter zawiera w swoim jądrze dodatkowo jeden, a tryt dwa neutrony. Deuter i prot są pierwiastkami stabilnymi. Cząsteczka wody zawierająca w swojej strukturze deuter zamiast protu nazywana jest ciężką wodą i jest używana m.in. do spowalniania neutronów we współczesnych elektrowniach jądrowych. Tryt jest pierwiastkiem radioaktywnym, na Ziemi występuje w ilościach śladowych, a jego obecność to wynik oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazami atmosferycznymi.

***

Fuzja lepsza niż rozszczepienie?

W przeciwieństwie do reakcji fuzji, polegającej na połączeniu jąder małych atomów (np. deuteru i trytu), reakcje rozszczepienia jądrowego, które są wykorzystywane we współczesnych elektrowniach jądrowych, polegają na rozbiciu dużych atomów (np. uranu). Fuzja uwalnia jednak cztery razy więcej energii i produkuje nieporównywalnie mniej odpadów radioaktywnych. Ale przede wszystkim nie wiąże się z nią żadna reakcja łańcuchowa, która niosłaby ryzyko katastrofy, do jakiej doszło w 1986 r. w Czarnobylu. Innymi słowy, fuzja jądrowa to idealne źródło energii... Przynajmniej w teorii.

***

Plazma z tuby

Zupełnie inny pomysł na plazmę ma amerykańska firma Tri Alpha Energy, która używa mieszanki boru z wodorem jako paliwa. Ponieważ jądro boru jest cięższe niż deuteru czy trytu, plazma musi być podgrzana do 1 mld °C. Planuje się to uzyskać poprzez zderzenie dwóch wiązek plazmy. W ten sposób powstaje tuba tej gorącej materii obracająca się horyzontalnie (a nie wertykalnie, jak w tokamakach). Czas życia wytworzonej w ten sposób plazmy jest bardzo krótki. Aby go wydłużyć, stosuje się strumienie cząstek o wysokiej energii, trzymających w ryzach obracającą się tubę, co można zobaczyć tutaj: https://www.youtube.com/watch? v=ezluaNMzHjE. Na razie tym sposobem udało się wytworzyć plazmę o temperaturze 10 mln °C, a jej czas życia wynosił zaledwie ułamek sekundy. Oznacza to, że przed twórcami reaktora jeszcze długa droga, zanim osiągną wymagane do rozpoczęcia fuzji warunki.

***

Kiedy umiera gwiazda

Jądra gwiazd o średniej masie, takich jak Słońce, po wyczerpaniu wodoru zaczynają się kurczyć i rozgrzewać. Rosnące ciśnienie i temperatura sprawiają wtedy, że atomy helu łączą się, tworząc węgiel. Ponieważ w zewnętrznej otoczce gwiazdy zachodzą w tym czasie reakcje syntezy helu z wodoru, zaczyna się ona rozszerzać i puchnąć. Jest to tzw. faza czerwonego olbrzyma. Ostatecznie, gdy wszystkie reakcje ustaną, gwiazda staje się białym karłem, który po całkowitym wystygnięciu zamienia się w zimną bryłę nazywaną czarnym karłem.

W gwiazdach o większej masie w kolejnych cyklach powstają coraz cięższe atomy, aż do żelaza włącznie. Bardzo duże gwiazdy, zwane supernowymi, umierają w wybuchu spowodowanym ogromną temperaturą, jaka powstaje w ich wnętrzu. Podczas wybuchu powstają pierwiastki jeszcze cięższe od żelaza. Zostają one rozproszone w przestrzeni i wzbogacają obłok międzygwiezdnej materii, z którego powstają nowe gwiazdy i ich planety.