Fuzja jądrowa coraz bliżej: Sztuczne gwiazdy przyszłością energetyki

Jędrzej Markiewicz Artykuły 2019-08-21

Fuzja jądrowa to proces chemiczny, w wyniku którego następuje łączenie lekkich pierwiastków w cięższe. Najprościej można ten proces zobrazować na przykładzie gwiazdy najbliżej Ziemi. W Słońcu stale zachodzą procesy łączenia się pierwiastków, głównie atomów wodoru w hel. Fuzja jądrowa zachodząca dzięki wysokiej temperaturze oraz wysokiemu ciśnieniu, oprócz powstawania cięższego pierwiastka, emituje także olbrzymie ilości energii. Gdyby udało się stworzyć dogodne warunki do fuzji jądrowej na Ziemi, zyskalibyśmy jako ludzie niewiarygodny potencjał energetyczny. Szacuje się, że już 1 gram wodoru wykorzystany w fuzji jądrowej przewyższa ilość energii otrzymanej w wyniku spalenia 11 ton węgla kamiennego.

Fuzja jądrowa na Ziemi jest naprawdę możliwa!

ITER reaktor fuzja jądrowa

Chociaż brzmi to jak Sci-Fiction, tworzenie sztucznych gwiazd jest coraz bardziej realne. Oczywiście, z naturalnych powodów będą one zdecydowanie mniejsze niż gwiazdy. Dlatego też pewne jest, że w warunkach ziemskich nie uda się uzyskać ciśnienia porównywalnego na przykład do tego wewnątrz jądra Słońca (400 mld atmosfer). Na całe szczęście tak wysokie ciśnienie nie będzie potrzebne, ponieważ naukowcy są w stanie uzyskać wyższe temperatury niż na Słońcu. A to redukuje liczbę wymaganych atmosfer wewnątrz reaktora.

Reaktory termojądrowe swoją nazwę zawdzięczają przede wszystkim niesamowitym zdolnościom nagrzewania materii wewnątrz. Jądro słońca w przybliżeniu rozgrzane jest do 27 milionów stopni C. Już teraz w warunkach laboratoryjnych udało się uzyskać wartości przekraczające 80 milionów stopni. Dzięki temu ciśnienie może być wielokrotnie niższe niż 400 mld atmosfer, a i tak możliwe jest przeprowadzanie fuzji jądrowej.

Zobacz też: Biopaliwo w 2025 roku stanie się rentowne

Po uzyskaniu ekstremalnych warunków opisywanych powyżej materia przechodzi w czwarty stan skupienia: plazmę. Siła oddziaływania pomiędzy atomami wodoru (deuter oraz tryt) doprowadza wtedy do przełamania siły odśrodkowej jądra. W wyniku zderzenia dwóch jąder następuje fuzja do pierwiastka posiadającego dwa protony w jądrze: Helu-3.

Fuzja jądrowa kontra współczesne elektrownie atomowe

Elektrownia atomowa we Francji

Z wielu powodów w Polsce wciąż nie posiadamy elektrowni atomowej. Oprócz kwestii finansowych (chociaż wg Ministerstwa Energii potrzebujemy na budowę zaledwie od 40 do 70 miliardów złotych, co jest osiągalne!) oraz politycznych społeczeństwo polskie jest bardzo podzielone światopoglądowo także w kwestii energii jądrowej. Chociaż obecna technologia rozpadu cięższych jąder na lżejsze jest jedną z najbezpieczniejszych form pozyskiwania energii elektrycznej, wciąż podnoszonym argumentem jest bezpieczeństwo i składowanie odpadów radioaktywnych. Pomimo tego, planowana budowa elektrowni przypada na 2025 rok. Czyli za 6 lat, kiedy fuzja jądrowa może być rozwinięta do poziomu możliwej eksploracji przemysłowej.

Łączenie pierwiastków ma tę przewagę nad ich rozpadem, że powstaje wtedy więcej energii i nie ma konieczności składowania reaktywnych odpadów. W przypadku rozdzielania pierwiastków uranu do czynienia mamy ze sporym promieniowaniem i produktami rozpadu (np. promieniotwórczy Proaktyn). Gdy następuje fuzja jądrowa izotopów wodoru, otrzymujemy jedynie Hel-3, który może być dalej wykorzystywany jako paliwo i niewielkie ilości promieniotwórczych neutronów, które wg badań miałyby się rozpadać w ciągu paru godzin.

Dlatego też wśród potencjalnych paliw przyszłości wymienia się Hel-3, obecnie występujący na Ziemi w bardzo śladowych ilościach. Jego duże pokłady są natomiast na księżycu. Wraz z fuzją jądrową mogłyby zapewnić Ziemi nieskończone ilości energii oraz relatywnie niewiele (lub całkowity brak) szkodliwego promieniowania.

Zobacz też: Technologie przyszłości: nowoczesne substancje na wyciągnięcie ręki

Fuzja jądrowa, a promieniowanie

choroba popromienna promieniowanie

Prof. Heinrich Hora z Uniwersytetu Nowej Południowej Wali (Australia) w latach 70. XX wieku opracował teoretyczny model łączenia atomów boru i wodoru. W jego wyniku nie powstają żadne neutrony, tylko czysta energia i hel. Nad taką wersją reaktorów termojądrowych pracuje już australijska firma HB11 Energy, której szef zapowiedział wyprodukowanie sprawnego reaktora w ciągu 10 lat. Gdyby udało się potwierdzić skuteczność tej metody i faktyczny brak szkodliwego wpływu fuzji na środowisko, prof. Heinrich Hora mógłby się stać protoplastą całego, przyszłego systemu pozyskiwania taniej energii.

Jeżeli nawet nie uda się dokonać fuzji bez chociażby minimalnego promieniowania, reaktor byłby w stanie całkowicie je wytłumić w ciągu kilku godzin. Żeby uzyskać sprzyjające warunki do fuzji, należy zbudować reaktor, który byłby w stanie podtrzymywać jądra w plazmie przez dłuższy czas. Oprócz wysokiego ciśnienia i milionów stopni C. wymagane będzie więc silne pole magnetyczne oraz bariera dookoła reaktora w postaci na przykład próżni lub warunków zbliżonych do zera absolutnego (~270 st. C). Jeżeli powyższe wymagania zostaną spełnione, już w przyszłej dekadzie możemy być świadkami rewolucji energetycznej.

Fuzja jądrowa to istny kamień filozoficzny i żyła złota: Wyścig pomiędzy państwami już się rozpoczął!

chiny fuzja jądrowa 2019

To nie tak, że rozważania na temat Fuzji jądrowej są tylko teoretyczne. Elektrownie termojądrowe nie należą do potencjalnych technologii przyszłości, a już dziś stawia się je jako jeden z najważniejszych technologicznych projektów najbliższych lat. USA, Chiny, Rosja, Unia Europejska, Japonia, Korea Południowa i Indie już teraz przeznaczyły na budowę testowego reaktora ITER blisko 10 miliardów Euro. ITER ma być interkontynentalnym projektem badawczym zlokalizowanym we Francji. Jego pierwszy zapłon planowano na 2019 rok, jednak w wyniku licznych komplikacji, termin przesunięto na 2025 rok.

Jako że ITER jest finansowany przez największe (pod względem technologicznym) podmioty na świecie, dostęp do wyników badań posiada szeroka kadra specjalistów. Nie brakuje też Polaków pracujących nad opracowaniem bezpiecznej fuzji jądrowej na terenie Francji. Dlatego też, w przypadku powodzenia projektu, elektrownie termojądrowe w krótkim czasie będą mogły być produkowane w wielu krajach jednocześnie. Głównie właśnie z uwagi na współwłasność wyników badań wielu państw świata.

Nie oznacza to oczywiście, że różne, prywatne firmy państw świata nie konkurują ze sobą w wyścigu o palmę pierwszeństwa. Wspomniany wcześniej HB11 Energii z Australii to tylko jeden z wielu graczy na arenie termojądrowej. Amerykańska firma TAE Technologies jest na przykład finansowana przez Google. Reaktor „Norman” ma mieć kształt lekko spłaszczonej kuli i wykorzystywać wszelki potencjał sztucznej inteligencji od Google. Dzięki temu reaktor będzie w stanie dostosować wszelkie parametry techniczne (moc, temperaturę, ciśnienie, pole magnetyczne) bez ryzyka poniesienia jakichkolwiek strat (uszkodzenie reaktora, niekontrolowany zapłon).

Fuzja jądrowa to nie tylko potencjał dla elektrowni atomowych

polskie f-16

Google w naturalny sposób musi reagować na zmieniającą się rzeczywistość. Jego udział w badaniach nad fuzją jądrową na pewno przyczyni się do tworzenia nowych wizji przyszłości mobilnej. Dziś energia wciąż jest relatywnie droga, a jako dynamicznie rozwijające się społeczeństwo potrzebujemy jej ciągle więcej i więcej. Baterie z energią elektryczną ma przecież coraz więcej produktów codziennego użytku: Pojazdy elektryczne, sprzęt RTV-AGD, a nawet buty! Potrzeba dostarczania energii rośnie na tyle szybko, że polski węgiel niebawem w ogóle przestanie się w tym zestawieniu liczyć.

Amerykanie widzą w fuzji jądrowej także potencjał w kwestiach militarnych — i to nie tylko zbrojeniowych sensu stricto. Od lat supermocarstwa dysponują potężnymi bombami termojądrowymi (wodorowymi). Ich siła jest zdecydowanie wyższa od „zwykłych” bomb atomowych, wykorzystujących rozpad promieniotwórczy. Co jednak ciekawe: w przeciwieństwie do rozpadu pierwiastków, w przypadku ich łączenia niemożliwe jest wystąpienie tzw. reakcji łańcuchowej. Niekontrolowana fuzja po prostu… wygasa. Plazma przechodzi z powrotem do bardziej stabilnego stanu skupienia: Ciała stałego. Dlatego też do wykorzystywania fuzji jądrowej potrzeba stabilnych, stałych warunków.

Lockheed Martin, amerykański koncern zbrojeniowy, pracuje nad kompaktową wersją reaktora termojądrowego, który mógłby znaleźć zastosowanie w swoich samolotach (F-16). Chiny także starają się nie odstawać w tym wyścigu zbrojeń. Jako jedyni uzyskali w reaktorze ponad 100 milionów stopni C! Ich reaktor EAST (który docelowo ma wspomóc badania w ITER) jest najlepiej rokującym urządzeniem do fuzji jądrowej. Oprócz tego, Chiny coraz bardziej są zajęte odkrytym niedawno sposobem pozyskiwania Grafenu.

Zobacz też: Koniec polskiego snu o technologii grafenowej — wyprzedzają nas Chiny

Polski sen o technologii termojądrowej

Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy - Fuzja jądrowa
Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (źródło: II LO Bielsk Podlaski)

Tymczasem Polska, pomimo tego, że jest zaangażowana w prace nad fuzją jądrową, wydaje się być raczej graczem drugo- lub nawet trzeciorzędnym. Według focus.pl przy ITER pracują naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy oraz Politechniki Wrocławskiej. Z kolei w niemieckim Wendelstein 7-X Polska, oprócz wkładu finansowego, wysyła także badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, Politechniki Warszawskiej i Wrocławskiej, Uniwersytetu Opolskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Co prawda udział w tych projektach daje nam podstawy do współwłasności wyników badań, trudno jednak zakładać, by ta technologia prędko zawitała do kraju nad Wisłą. Na razie cieszmy się z tego, że jest szansa na jakąkolwiek elektrownię atomową w Polsce w 2025 roku.






Przewiń stronę, by przeczytać kolejny wpis
Przewiń stronę, by przeczytać kolejny wpis
x