Wyobraźmy sobie, że z naszego kraju znikają dymiące kominy elektrowni. Kopalnie węgla stają się muzeami, groźba zakręcenia kurka z gazem przez Rosję – wspomnieniem. Energii mamy pod dostatkiem. Jej źródło jest czyste, bezpieczne i szalenie wydajne. W zasadzie wystarczy woda morska i kamienie. Potrzebna będzie jeszcze tylko jedna rzecz: elektrownia termojądrowa.
Nad jej skonstruowaniem pracują obecnie zespoły uczonych z całego świata. Pieniądze inwestowane w badania liczone są w miliardach euro. To nic, że epoka czystej taniej energii nastanie dopiero za kilkadziesiąt lat. Kto pierwszy wybuduje elektrownię napędzaną reakcjami termojądrowymi, wyprzedzi resztę o całą epokę. To wyścig, na którego mecie rozstrzygną się losy naszej cywilizacji.
Pogoń za czystą energią
Zasoby paliw kopalnych – węgla, ropy i gazu – wyczerpują się, a ich spalanie szkodzi środowisku. Alternatywne metody produkcji energii, takie jak baterie słoneczne czy wiatraki, są mało wydajne. Po awariach w Czernobylu i Fukushimie energia atomowa budzi złe skojarzenia. Nic dziwnego, że od wielu lat trwają badania nad jej nową odmianą.
Fizycy pracujący w tej dziedzinie lubią żartować, że zajmują się sprowadzaniem Słońca na Ziemię. Nie ma w tym wiele przesady. Reakcja syntezy termojądrowej, zwanej też gorącą fuzją, jest podstawą działania gigantycznej elektrowni, jaką jest Słońce. W jego wnętrzu cały czas lekkie jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądra. Jako efekt uboczny powstają wielkie ilości energii.
Zacznijmy od paliwa. Najprościej byłoby skorzystać z izotopów wodoru: deuteru i trytu. Izotopy te, czyli cięższe odmiany pierwiastka, są na Ziemi powszechnie dostępne. Deuteru jest w bród w wodzie. Tryt nie występuje w naturze, ale można go łatwo uzyskać z dość pospolitego pierwiastka, jakim jest lit.
Dlaczego warto to robić? Jeden gram wodoru „spalonego” w reaktorze termojądrowym może dać tyle energii, ile dostarcza 8 ton ropy naftowej lub 11 ton węgla kamiennego. Albo inaczej: na zaspokojenie rocznych potrzeb energetycznych czteroosobowej rodziny potrzeba kilograma kamieni i 2–3 litrów wody morskiej.
Jak przeżyć 100 mln stopni?
Teraz jednak zaczynają się schody. Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i odpychają się. Aby zmusić je do połączenia się, czyli syntezy termojądrowej, trzeba stworzyć ekstremalne warunki – podobne do tych panujących we wnętrzu Słońca. Temperatura sięga tam 14 mln stopni Celsjusza, a ciśnienie – 400 mld atmosfer.
Tak ogromnego ciśnienia nie potrafimy wytworzyć na Ziemi. Dlatego zwiększamy temperaturę. Zależnie od typu reaktora – od 80 do 200 mln st. C. W takich warunkach z izotopów wodoru powstaje rozżarzona substancja zwana plazmą. I tu pojawia się kolejny problem. Żaden znany nam materiał nie wytrzyma kontaktu z tak rozgrzaną materią. Musimy ją trzymać z daleka od ścian reaktora – do tego służy bardzo silne pole magnetyczne.
Skąd je wziąć? Podobnie jak w aparaturze do rezonansu magnetycznego (MRI), korzystamy z bardzo silnych elektromagnesów. Ich cewki są wykonane z nadprzewodników, które muszą być schłodzone do temperatury minus 269 st. C. Jeśli wyobrazimy sobie przekrój przez ścianę reaktora, zobaczymy ogrom wyzwania, jakie stoi przed naukowcami i inżynierami. Z jednej strony plazma rozgrzana np. do 100 mln st. C, kilkanaście centymetrów dalej – mróz bliski zera absolutnego.
Z tym wyzwaniem nauka zmaga się od dawna. Już w 1950 roku dwaj radzieccy naukowcy Andriej Sacharow i Igor Tamm zbudowali pierwszy reaktor termojądrowy. Nazwali go tokamakiem. W jego skład wchodzi komora przypominająca kształtem oponę, otoczona elektromagnesami. Komora zostaje opróżniona z powietrza, tak aby panowała w niej możliwie „czysta” próżnia. Potem do środka wstrzykiwane jest paliwo, podgrzewane następnie tak, aby zamieniało się w plazmę. Potężne pole magnetyczne formuje z niej mniejszą „oponę” i trzyma ją w bezpiecznej odległości od ścian komory.
Wielkie nadzieje, wielkie wydatki
Cała sztuka polega na tym, aby w wyniku reakcji termojądrowej powstało więcej energii, niż trzeba zużyć na jej zapoczątkowanie. Takie zadanie stoi przed tokamakiem zwanym ITER, budowanym w Cadarache w południowej Francji. W projekcie biorą udział kraje zamieszkane przez połowę ludzkości: Chiny, Unia Europejska, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA. Komora ITER ma mieć 11 metrów średnicy. Reaktor będzie w stanie wyprodukować „na czysto” 450 megawatów energii cieplnej. Jednak nadal będzie to tylko urządzenie eksperymentalne. Prawdziwe elektrownie powstaną dopiero na bazie doświadczeń zebranych podczas budowy ITER.
A ta trochę potrwa. Eksperyment miał ruszyć w 2015 roku, teraz mówi się o roku 2019. „To potwornie skomplikowane urządzenie, z takimi zawsze są jakieś kłopoty. To nic nadzwyczajnego, że i w tym przypadku tak się dzieje” – uspokaja prof. Jacek Jagielski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
Wraz z opóźnieniami rosną jednak i wydatki. Do niedawna szacowano, że budżet ITER wyniesie 10 mld euro, teraz wymienia się kwotę dwukrotnie wyższą. W historii droższa była tylko Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), która kosztowała 100 mld dolarów. Słynny Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) z CERN-u pochłonął „tylko” 7,5 mld euro. Połowę pieniędzy na ITER wykładają kraje UE, pozostałe państwa dorzucają po ok. 10 proc.
Polska ma w inwestycji swój udział. Pracują przy niej naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy oraz Politechniki Wrocławskiej. Możemy startować do przetargów i walczyć o udział w badania.
Jednak dużo więcej mamy do powiedzenia przy innej termojądrowej inwestycji – stellaratorze.
Bezpieczniej i bardziej ekologicznie
Reaktory termojądrowe będą pozbawione wad typowych dla tradycyjnych elektrowni atomowych. „Szybkością reakcji rozszczepienia atomów uranu trzeba precyzyjnie sterować, żeby nie doszło do niebezpiecznej reakcji łańcuchowej. W przypadku fuzji jest odwrotnie. Musimy włożyć bardzo dużo wysiłku, aby w ogóle doszło do reakcji. W przypadku jakiegokolwiek zaburzenia plazma po prostu wygasa” – tłumaczy dr Maciej Krychowiak, fizyk pracujący przy W7-X. Co ważne, w przyszłych elektrowniach termojądrowych w zasadzie nie będzie mowy o odpadach radioaktywnych. Efektem reakcji jest niegroźne jądro helu oraz neutrony, które w czasie użytkowania reaktora napromieniowują jedynie jego elementy.
Polsko-niemiecki sojusz atomowy
Stellarator to reaktor podobny do tokamaka i mający równie długą historię. Wymyślił go w roku 1950 amerykański fizyk Lyman Spitzer. Jednak skonstruowanie takiej instalacji okazało się bardzo trudne. Komora, w której stellarator wytwarza plazmę, ma skomplikowany kształt. Fizycy porównują ją do tzw. wstęgi Móbiusa. W klasycznej postaci to taśma, np. z papieru, którą sklejamy w kółko „końcami na odwrót”, czyli najpierw skręcając ją o 180 stopni. Komora w stellaratorze to wstęga, która została skręcona pięć razy!
Ten dziwny kształt sprawia, że plazma zachowuje się stabilniej niż w „oponie” to- kamaka. Jednak zbudowanie takiej komory i otaczających ją elektromagnesów udało się dopiero niedawno. Dziś największy na świecie stellarator to Wendelstein 7-X (W7-X). Powstał w Greifswaldzie – niewielkim mieście w północnych Niemczech (niecałe 60 km od granicy z Polską), gdzie znajduje się Instytut Fizyki Plazmy Maksa Plancka. To głównie niemiecka inwestycja warta 2 mld euro, ale spory udział mają w niej Polacy. Pod koniec maja odbyła się jego uroczysta prezentacja, za rok powinien zostać uruchomiony. Jeśli zadziała, stanie się sensacją naukową klasy światowej.
„Stellaratory oferują zalety nieosiągalne dla tokamaków. Tokamaki muszą pracować impulsowo, natomiast stellaratory nadają się do ciągłej pracy, m.in. dzięki specjalnej konfiguracji ich magnesów” – mówi prof. Thomas Klinger, kierownik projektu W7-X. Naukowcy mają nadzieję, że w W7-X uda się po raz pierwszy w historii utrzymać plazmę przez 30 minut bez przerwy. W innych instalacjach ten stan trwa z reguły kilka sekund, rekordowy wynik to sześć i pół minuty.
„Przez pół godziny będziemy w stanie trzymać Słońce na Ziemi. To nie zabawka dla fizyków, to pomnik cywilizacji” – mówił w dniu otwarcia wzruszony prof. Włodzisław Duch, wiceminister nauki i szkolnictwa wyższego. Nie przesadzał. W7-X już w czasie budowy stało się poligonem dla naukowców i inżynierów. „Trudne było praktycznie wszystko” – wzdycha prof. Jacek Jagielski, koordynujący polskie działania przy projekcie. „Np. specjalne wymogi postawiono stali: nie mogła być magnetyczna, konieczne było opracowanie specjalnej metody spawania” – opowiada.
Ile energii jest na Ziemi?
Wylicza prof. Jacek Jagielski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych:
„Dziś wszystkie zasoby paliw kopalnych na Ziemi to ok. 37 zett;dżuli (ZJ). Przedrostek zetta- oznacza tryliard, czyli 10 do potęgi 21. Jeden dżul wystarczy, by podgrzać gram wody o ćwierć stopnia Celsjusza.
Co roku cała ludzkość zużywa łącznie pół zettadżula. Dziś węgiel, ropa i gaz stanowią 95 proc. globalnych zasobów energetycznych. Pozostałe to uran-235 wykorzystywany w elektrowniach jądrowych. Za ok. 30 lat do użytku wejdą reaktory IV generacji, wykorzystujące również inny izotop – uran-238. Jest go prawie sto razy więcej niż uranu-235. To spowoduje wzrost światowych zasobów paliw do poziomu 2,5 tys. ZJ. Wtedy uran będzie stanowił 85 proc., węgiel, ropa i gaz – pozostałe 15 proc. Ale kiedy za jakieś 100 lat zaczną działać reaktory termojądrowe, do puli dostępnych paliw dojdą deuter i lit. Ile tego jest? Trudno o dokładne liczby. Możemy szacować, że zapasy energetyczne Ziemi będą wówczas mierzone w milionach ZJ. To setki tysięcy razy więcej niż obecnie”.
Nowe technologie spod Rzeszowa
W7-X powstawał od 1996 roku. Polska została zaproszona 10 lat później, w trudnym momencie – inwestycja zmagała się z opóźnieniami. Niemcom pomogli wtedy specjaliści z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk. Przy projekcie pracowali także naukowcy z Politechniki Warszawskiej i Wrocławskiej, Uniwersytetu Opolskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Ta ostatnia instytucja wniosła 4,5 z 6,5 mln euro, jakie dołożyliśmy do projektu, głównie w formie dostarczanych urządzeń i rozwiązań technicznych. Dobre wrażenie zrobiły także polskie firmy pracujące przy W7-X: TEPRO, INSS-POL, PREVAC, Kriosystem.
Przy inwestycji wartej 2 mld euro nasze 6,5 mln wygląda skromnie. Mimo to Polacy zasiadają w komitecie programowym eksperymentu. „To wyjątkowa sytuacja. Zwykle jesteśmy tylko uczestnikiem procesu powstawania tego typu urządzeń – włączamy się w prace zaplanowane przez innych. W przypadku W7-X jesteśmy w wąskiej grupie decydentów. w. Patrząc w dłuższej perspektywie, będziemy mieli udział w wynikach badań na W7-X. To może oznaczać współwłasność technologii opracowywanych na tym urządzeniu. Warunkiem jest finansowanie prac badawczych” – tłumaczy prof. Jagielski.
Naukowcy mówią, że stellaratory to termojądrowy „plan B”. Jeśli okaże się, że ITER ma problemy, można skorzystać z innego rozwiązania technicznego. „W7-X i ITER są w pewnym sensie komplementarne” – mówił dziennikarzom prof. Robert Wolf z Instytutu Fizyki Plazmy. Być może projektanci elektrowni przyszłości będą łączyć elementy obydwu konstrukcji.
Możliwe, że skorzystają przy tym z polskich rozwiązań. Materiały do budowy reaktorów termojądrowych muszą być odporne na bombardowanie dużą liczbą neutronów powstających w czasie reakcji. Laboratorium testujące takie rozwiązania, zwane ENS, ma powstać niedaleko Rzeszowa. Inwestycja miałaby ruszyć w roku 2017, jej koszt wyniesie 1,4 mld zł.
Jeśli się uda, nikt nie będzie liczył wydanych miliardów. Energia termojądrowa otworzy nową epokę w dziejach naszej cywilizacji. Na razie państwa łączą siły, bo wielkie projekty naukowe są zbyt drogie i zbyt skomplikowane nawet dla supermocarstw. Ale co będzie za 50 lat? Polska obecność w takich projektach jest naszym być albo nie być. Albo znajdziemy się w grupie krajów, które potrafią takie urządzenia budować, albo będziemy zmuszeni energię przyszłości kupować od innych za duże pieniądze.
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
- Wykład prof. Andrzeja Gałkowskiego z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyn- tezy – www.bit.ly/jetiter
- Dokument Komisji Europejskiej „Badania fuzji jądrowej Nowe źródło energii dla Europy XXI wieku” – www.bit.ly/fuzja
- Strona Instytutu Fizyki Plazmy Maksa Plancka – www.bit.ly/mpgite