Problemy z energią znikną za 12 lat? Elektrownie termojądrowe: wielkie nadzieje i jeszcze większe pieniądze

Już za kilkanaście lat ruszą pierwsze elektrownie wykorzystujące fuzję termojądrową. Wystarczy kilkaset kilogramów wodoru, by dostarczyć energii całemu światu

Pierwszą komercyjną elektrownię termojądrową otworzymy najpóźniej w 2030 roku – zapewnia David Kingham, współzałożyciel brytyjskiej firmy Tokamak Energy. Choć energetyka jądrowa nie ma ostatnio dobrej prasy, a plany budowania elektrowni atomowych spotykają się z krytyką i protestami, naukowcy wciąż pracują nad nowym sposobem pozyskiwania energii. Ten nowy sposób to synteza jądrowa – reakcja, która napędza Słońce.

CIEPŁO OBOK ZIMNA

Taka metoda produkcji energii ma wiele zalet. Paliwem dla reaktorów termojądrowych nie są niebezpieczne i trudno dostępne materiały, takie jak uran czy pluton, lecz lekkie atomy wodoru, helu lub boru. Gdy ich jądra atomowe łączą się ze sobą, uwalniane są ogromne ilości energii. Jeden gram wodoru „spalonego” w reaktorze termojądrowym może dać jej tyle, ile dostarcza 8 ton ropy naftowej lub 11 ton węgla kamiennego. Do zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego całego świata wystarczyłoby rocznie kilkaset kilogramów izotopów wodoru (deuteru i trytu), które można uzyskać z morskiej wody.

Sęk w tym, że zmuszenie jąder atomowych do połączenia się wymaga ogromnych ciśnień i temperatur – takich jakie panują we wnętrzach gwiazd. Jądro Słońca jest rozgrzane do 27 mln stopni Celsjusza, a ciśnienie wynosi tam 400 mld atmosfer. Reaktory termojądrowe nie są w stanie osiągnąć takiego ciśnienia, dlatego zwiększają temperaturę do co najmniej 80 mln st. C. Wtedy powstaje rozżarzony gaz zwany plazmą, w którym mogą przebiegać reakcje termojądrowe. Aby był

on odpowiednio ściśnięty i nie spalił ścian reaktora, potrzebne jest 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. Reaktory termojądrowe są jednak 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, polski fizyk pracujący przy eksperymentalnym reaktorze Wendelstein 7-X.

WIELKIE PIENIĄDZE, WIELKIE NADZIEJE

Największym projektem wykorzystującym fuzję termojądrową jest ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny). To ogromna instalacja budowana we Francji, finansowana przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Koreę, Rosję i USA kosztem 18 mld dolarów. Jej sercem jest reaktor typu tokamak – komora w kształcie obwarzanka, w której pole magnetyczne uwięzi plazmę. W ubiegłym roku projekt znalazł się na półmetku. – W 2025 r. planujemy pierwsze uruchomienie reaktora – ogłosił Bernard Bigot, szef ITER. Prace posuwają się wolno i pochłaniają mnóstwo pieniędzy m.in. dlatego, że ITER ma być kompleksową instalacją, przygotowaną do produkcji elektryczności. Oznacza to, że konstruktorzy muszą rozwiązywać wiele problemów jednocześnie.

Inni naukowcy idą na skróty – zajmują się tylko kwestią uzyskania fuzji termojądrowej, a o jej praktyczne wykorzystanie będą martwić się później. Pozwala to na szybsze uzyskanie rezultatów, tak jak w przypadku zbudowanego w Niemczech reaktora Wendelstein 7-X. To tzw. stellarator, którego komora ma skomplikowany, poskręcany kształt ułatwiający kontrolowanie plazmy za pomocą pola magnetycznego. Kosztował znacznie mniej niż ITER, bo zaledwie 2 mld euro i ma już na koncie pierwsze sukcesy. W czerwcu tego roku plazma w Wendelstein 7-X osiągnęła temperaturę 40 mln st. C i utrzymała ją przez 26 sekund.

Komora reaktora termojądrowego zwanego stellaratorem kształtem przypomina poskręcany obwarzanek. To część instalacji Wendelstein 7-X, której budowę ukończono w 2014 r. w Niemczech.

 

To bardzo dużo, ponieważ w tokamakach – reaktorach podobnych do ITER – trwa to wciąż najwyżej milisekundy. To ogromna instalacja budowana we Francji,

finansowana przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Koreę, Rosję i USA kosztem 18 mld dolarów. Jej sercem jest reaktor typu tokamak – komora w kształcie obwarzanka, w której pole magnetyczne uwięzi plazmę. W ubiegłym roku projekt znalazł się na półmetku. – W 2025 r. planujemy pierwsze uruchomienie reaktora – ogłosił Bernard Bigot, szef ITER. Prace posuwają się wolno i pochłaniają mnóstwo pieniędzy m.in. dlatego, że ITER ma być kompleksową instalacją, przygotowaną do produkcji elektryczności. Oznacza to, że konstruktorzy muszą rozwiązywać wiele problemów jednocześnie.

Inni naukowcy idą na skróty – zajmują się tylko kwestią uzyskania fuzji termojądrowej, a o jej praktyczne wykorzystanie będą martwić się później. Pozwala to na szybsze uzyskanie rezultatów, tak jak w przypadku zbudowanego w Niemczech reaktora Wendelstein 7-X. To tzw. stellarator, którego komora ma skomplikowany, poskręcany kształt ułatwiający kontrolowanie plazmy za pomocą pola magnetycznego. Kosztował znacznie mniej niż ITER, bo zaledwie 2 mld euro i ma już na koncie pierwsze sukcesy. W czerwcu tego roku plazma w Wendelstein 7-X osiągnęła temperaturę 40 mln st. C i utrzymała ją przez 26 sekund.

To bardzo dużo, ponieważ w tokamakach – reaktorach podobnych do ITER – trwa to wciąż najwyżej milisekundy.

To ogromna instalacja budowana we Francji, finansowana przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Koreę, Rosję i USA kosztem 18 mld dolarów. Jej sercem jest reaktor typu tokamak – komora w kształcie obwarzanka, w której pole magnetyczne uwięzi plazmę. W ubiegłym roku projekt znalazł się na półmetku. – W 2025 r. planujemy pierwsze uruchomienie reaktora – ogłosił Bernard Bigot, szef ITER. Prace posuwają się wolno i pochłaniają mnóstwo pieniędzy m.in. dlatego, że ITER ma być kompleksową instalacją, przygotowaną do produkcji elektryczności. Oznacza to, że konstruktorzy muszą rozwiązywać wiele problemów jednocześnie.

Inni naukowcy idą na skróty – zajmują się tylko kwestią uzyskania fuzji termojądrowej, a o jej praktyczne wykorzystanie będą martwić się później. Pozwala to na szybsze uzyskanie rezultatów, tak jak w przypadku zbudowanego w Niemczech reaktora Wendelstein 7-X. To tzw. stellarator, którego komora ma skomplikowany, poskręcany kształt ułatwiający kontrolowanie plazmy za pomocą pola magnetycznego. Kosztował znacznie mniej niż ITER, bo zaledwie 2 mld euro i ma już na koncie pierwsze sukcesy. W czerwcu tego roku plazma w Wendelstein 7-X osiągnęła temperaturę 40 mln st. C i utrzymała ją przez 26 sekund.

To bardzo dużo, ponieważ w tokamakach – reaktorach podobnych do ITER – trwa to wciąż najwyżej milisekundy.

Pierwszy prototyp reaktora Lockheed Martin ma zostać uruchomiony w przyszłym roku. Równie szybko działają inne prywatne firmy. Commonwealth Fusion Systems z USA chce wykorzystać nową generację półprzewodników, dzięki którym konstrukcja reaktora będzie prostsza i tańsza. Bazując na pracach uczonych z Massachusetts Institute of Technology, firma ma zbudować prototypowy reaktor SPARC za jedyne 50 mln dolarów. Z kolei wspomniana wcześniej brytyjska

Tokamak Energy potrafi już wyprodukować plazmę o temperaturze 15 mln st. C. Do 2025 r. ma uruchomić instalację zdolną do produkcji energii elektrycznej, a pięć lat później – pierwszą komercyjną elektrownię. W tym samym czasie Polska ma kończyć budowę swej pierwszej elektrowni atomowej – tyle że wykorzystującej uran...

Marcin Bójko – dziennikarz specjalizujący się w naukach ścisłych i nowych technologiach, z wykształcenia matematyk.

współpraca Karolina Głowacka