„Sztuczne Słońce” na Ziemi. Ta technologia odmieni świat

Fuzja termojądrowa. Czy energia gwiazd rozbłyśnie na Ziemi?

Piotr Włoczyk: W kwestii nazewnictwa mogłoby się wydawać, że nie ma jakiejś wielkiej różnicy między elektrownią jądrową i elektrownią termojądrową. A jak to wygląda pod kątem fizyki?

Dr hab. Andrzej Gałkowski: Różnica jest tu diametralna. Fizyka nie zna innej technologii, która miałaby większy potencjał pod względem zapewniania energii. W Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, którym kierowałem przez lata, wisi wiele mówiąca plansza. Widać na niej grafikę pokazującą, ile należy dostarczyć paliwa do klasycznej elektrowni, by uzyskać tyle samo energii elektrycznej, co w elektrowni termojądrowej. Z jednej strony mamy całe pociągi towarowe, a z drugiej – pojedyncze kilogramy.

Wbrew pozorom nie jest to po prostu modyfikacja znanej od dziesięcioleci elektrowni jądrowej. Wspólnym mianownikiem jest tu energia jądrowa, ale jednak zasada działania jest zupełnie inna.

Przeczytaj też: Student zbudował w domu projekt reaktora termojądrowego

Elektrownia termojądrowa. Święty Graal fizyków?

Różnicę widać też w broni jądrowej i termojądrowej, zwanej też bronią wodorową. Ta druga jest oczywiście o wiele potężniejsza od tej pierwszej. Już dwie dekady po pierwszej eksplozji jądrowej udało się zbudować elektrownie jądrowe działające na skalę przemysłową, a tymczasem od pierwszej detonacji bomby termojądrowej minęło już 70 lat i nic nie wskazuje na to, żebyśmy szybko opracowali elektrownię termojądrową. Dlaczego?

Podstawą do nieuzasadnionego optymizmu był właśnie szybki postęp w energetyce jądrowej. Naiwnie szacowano, że budowa elektrowni termojądrowej zajmie wprawdzie nieco więcej czasu niż opracowanie siłowni jądrowej, ale jednak stanie się to dosyć szybko – jeszcze w XX w.

Sama koncepcja elektrowni termojądrowej ma wiele wspólnego z bronią termojądrową. To jest dokładnie ten sam proces, tylko w przypadku broni chodzi o to, żeby ta olbrzymia energia wydzieliła się błyskawicznie i doprowadziła do maksymalnych zniszczeń. Nie ma tu więc potrzeby dbania o to, by plazma utrzymywana była w równowadze.

W trakcie fuzji termojądrowej w plazmie zachodzi reakcja łączenia dwóch izotopów wodoru – deuteru i trytu. Ten pierwszy mamy w przyrodzie w takich ilościach, że możemy tu mówić o właściwie niewyczerpanych ilościach (deuter jest dostępny w wodzie). Tryt nie jest wprawdzie dostępny w przyrodzie, ale można go wytwarzać z litu, bardzo powszechnie występującego w skorupie ziemskiej. I to jest ogromna przewaga tej technologii. Nie tylko bowiem paliwa kopalne wyczerpią się w niezbyt długiej perspektywie, ale również uran!

W naszej rozmowie będą się pojawiały dwa pojęcia: fuzja (inaczej: synteza) jądrowa i właśnie plazma, nazywana niekiedy czwartym stanem materii. Ponad 99 proc. wszechświata jest w stanie plazmy, czyli gazu zjonizowanego. Źródłem energii wszystkich gwiazd, w tym naszego Słońca, jest właśnie fuzja jądrowa. Natomiast na Ziemi jest dokładnie odwrotnie: plazma prawie w ogóle nie występuje i to samo tyczy się fuzji termojądrowej. W pracach badawczych chodzi więc o to, żeby zjawisko to wywołać sztucznie.

Potrzebna jest temperatura setek milionów stopni. To problem

Czasem w kontekście elektrowni termojądrowych mówi się o „sztucznym słońcu”.

Tak, ponieważ chcemy odtworzyć na Ziemi to, co się dzieje w Słońcu. Przypomnę tylko, że mówimy tu o temperaturze rzędu setek milionów stopni. Na Ziemi takie temperatury nigdzie nie występują naturalnie, nawet w jądrze, więc należy je wytworzyć sztucznie. To już się udało i nie jest to takie trudne. W Instytucie, którym kierowałem, rutynowo wytwarzaliśmy takie temperatury. Problemem jest jednak utrzymanie tego procesu w dłuższym okresie.

Co pewien czas słyszymy w mediach, że kolejny ośrodek badawczy, najczęściej w Chinach, pobił nowy rekord. Mowa jest jednak nie o dniach czy godzinach działania, ale o minutach. Co tu jest największym problemem?

Istnieją dwa podstawowe sposoby otrzymywania wysokich temperatur rzędu setek milionów stopni. Laserowy rozwijany jest właściwie tylko w jednym państwie – w USA – i to w instalacjach, których podstawowym przeznaczeniem są badania na potrzeby wojska.

Drugim sposobem, realizowanym w tokamakach i stelleratorach, jest utrzymanie plazmy przy pomocy pola magnetycznego. Plazma, czyli gaz zjonizowany, może przewodzić prąd. To jest kluczowe – jeżeli w plazmie może płynąć prąd, to może on oddziaływać z polem magnetycznym. Ale coś, co ma sto milionów stopni, jest nie do utrzymania w materialnym zbiorniku. Dlatego tworzy się tu swego rodzaju „pułapkę” niematerialną z pola magnetycznego. Aby wytworzyć pole magnetyczne potrzebne są magnesy. Współczesne magnesy w większości tokamaków są zbudowane z miedzi. Gdy wytwarzają one pole magnetyczne, nagrzewają się, przez co trzeba przerywać eksperyment, by nie uległy uszkodzeniu. Tu z pomocą przychodzą nam nadprzewodniki – w pewnym materiałach, w pewnych warunkach, płynący prąd nie wytwarza ciepła, co w kontekście kontrolowanej fuzji termojądrowej jest nie do przecenienia.

Warto przeczytać: Fuzja jądrowa nadchodzi. Czy jesteśmy gotowi na jej problemy i wyzwania?

Polacy w elicie naukowców pracujących nad fuzją termojądrową

Czyli budowa elektrowni termojądrowej wymaga przełomów również w innych dziedzinach.

Owszem. Technologia termojądrowa to tak naprawdę całe spektrum technologii. W kontekście nadprzewodników mówimy o bardzo niskich temperaturach, tylko nieco powyżej zera bezwzględnego. Czyli w grę wchodzi tu kolejna gałąź technologii – kriogenika. W jednym miejscu mamy więc całe spektrum temperatur: od ekstremalnie niskich do nieprawdopodobnie wręcz wysokich. Nasi czytelnicy mogą chyba już sobie wyobrazić, jak wielkie jest to wyzwanie z punktu widzenia technologii.

Jak radzą sobie tu Polacy?

Od ponad 20 lat uczestniczymy w europejskim programie fuzji jądrowej. Prowadzimy tam prace na urządzeniach europejskich typu tokamak i stellerator. W Polsce niestety nie dysponujemy takim sprzętem, ponieważ jest to niebotyczny koszt.

Mówimy tu zapewne o miliardach euro?

Tak. Stworzenie dużego urządzenia, które wniesie coś do naszej wiedzy, wymaga nakładów na poziomie miliardów euro. Teraz potrzebne są już tylko ogromne tokamaki, by doskonalić technologię fuzji jądrowej. Społeczność międzynarodowa połączyła wysiłki i od lat konstruuje takie wielkie urządzenie na południu Francji.

Reaktor termonuklearny ITER. Czas na technologię

Mówimy teraz o tzw. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny).

W znacznej mierze jest on już zbudowany. Gdy w końcu zostanie uruchomiony, to jest nadzieja, że wniesie wiedzę, która pozwoli myśleć o prototypie elektrowni termojądrowej. Jeżeli chodzi o samą fizykę fuzji termojądrowej, to wiadomo już właściwie wszystko, natomiast ITER może wnieść dużo przede wszystkim, jeżeli chodzi o technologię.

Jak pańskim zdaniem wygląda tu horyzont czasowy? Kiedy usłyszymy o pierwszej działającej elektrowni termojądrowej?

Uchylę się od jednoznacznej odpowiedzi, ponieważ byli już tacy specjaliści, którzy dawno temu twierdzili, że „za 20 lat” będziemy mieli elektrownie termojądrowe. Odpowiem słowami radzieckiego uczonego Lwa Arcymowicza, który specjalizował się w tej dziedzinie. Na pytanie o horyzont czasowy, Arcymowicz odpowiedział: „Fuzja jądrowa zostanie opanowana dokładnie wtedy, kiedy będzie potrzebna ludzkości”. I jest w tym głęboka myśl. Nawet gdybyśmy bowiem dziś opanowali ten proces na skalę przemysłową, to taka elektrownia nie miałaby szans na rynku.

Europa buduje reaktor ITER, Chiny chcą własny, a Stany wolą łupki

Dopóki mamy paliwa kopalne i uran, to będziemy korzystać z już istniejących elektrowni?

Na to wygląda. Sytuacja na rynku jest kluczowa, a wiadomo, że stare technologie są po prostu tańsze. I to się nie zmieni w najbliższych dekadach, chyba że katastrofa klimatyczna przyspieszy i świat gremialnie odrzuci paliwa kopalne.

Kto jest dziś najbardziej zaawansowany w kwestii badań nad fuzją termojądrową?

Na pierwszym miejscu jest tu UE, a w zasadzie jedna ze jej wspólnot – Wspólnota Euratom. ITER w ponad 50 proc. finansowany jest przez Euratom. Właściwie UE mogłaby to samodzielnie finansować, ale lata temu z przyczyn politycznych postanowiono, że dobrze byłoby rozszerzyć współpracę na państwa spoza Europy, m.in. Rosję i Chiny. I dziś, niestety, mamy tu pod względem politycznym niestabilną sytuację.

USA niezbyt są zainteresowane fuzją termojądrową, ponieważ z uwagi na rewolucję łupkową, Amerykanie uważają, że na długi czas mają zabezpieczone źródła energii. Co innego Chiny, Korea Południowa i Japonia – widać tu największą determinację. Chińczycy i Koreańczycy pracują właśnie nad samodzielnym zbudowaniem projektów podobnych do ITER.

Elektrownia termojądrowa jest bezpieczna

Choć fuzją termojądrowa może brzmieć w uszach laika groźnie, to ogromną przewagą tej technologii jest bezpieczeństwo.

Zacznijmy od wyjaśnienia, dlaczego elektrownie jądrowe mogą stanowić zagrożenie. Wszyscy doskonale znamy pojęcie „reakcji łańcuchowej” – jedna reakcja indukuje kilka następnych, przez co trzeba to mieć pod kontrolą. W przypadku awarii reaktora jądrowego może dojść do tragedii, jeżeli przestanie on być stabilny. W przypadku fuzji termojądrowej nie mamy do czynienia z reakcją łańcuchową. Jak już mówiłem, bardzo trudno jest nam stworzyć warunki do zaistnienia fuzji termojądrowej. A skoro tak, to jakiekolwiek odchylenie od normy sprawia, że ona samoistnie wygaśnie.

Czyli jakikolwiek rozszczelnienie tokamaka będzie równoznaczne ze… zdmuchnięciem świeczki?

Dokładnie tak. I pod tym względem ta technologia jest bardzo bezpieczna. Jest tu jednak jeszcze drugi aspekt. Elektrownie jądrowe produkują tony odpadów promieniotwórczych, które trzeba składować przez tysiące lat. W przypadku fuzji termojądrowej nie ma odpadów wynikających z bieżącej pracy elektrowni termojądrowej, gdyż produktem reakcji jest hel – gaz szlachetny, który sprawia, że dziecięce balony unoszą się w powietrzu. Jedynym problemem byłaby tu utylizacja napromieniowanego złomu po zakończeniu kilkudziesięciu lat pracy elektrowni termojądrowej. Czyli widać tu same zalety i tylko jedną wadę: wciąż czekamy na taką pierwszą elektrownię!

Przeczytaj inny tekst Autora: Dr Jacco van Loon o podboju Księżyca: „Chińczycy wygrywają wyścig”