Redakcja: Czym jest fuzja termojądrowa? Gdzie to zjawisko zachodzi poza Ziemią i jak możemy je uzyskać na naszej planecie?

Dr Monika Kubkowska: Mówiąc o fuzji termojądrowej musimy zacząć od wyjaśnienia pojęcia plazmy. Plazma to stan skupienia, w którym występuje większość materii we wszechświecie. Powszechność występowania plazmy wynika z jej bardzo szerokich parametrów, głównie temperatury i gęstości. Plazma to nasze Słońce, jak również przestrzeń międzygalaktyczna.

Jedną z cech plazmy jest również to, że mogą w niej zachodzić reakcje fuzji. Można powiedzieć, że my w ramach energetyki termojądrowej chcemy stworzyć „Słońce na Ziemi”. Już w 1920 r. Arthur Stanley Eddington wysunął hipotezę, że źródłem energii Słońca są reakcje termojądrowe i oszacował wtedy, że temperatury potrzebne do zajścia tych reakcji są bardzo wysokie, wręcz nieosiągalne do uzyskania na naszej planecie. W kolejnych latach Hans Bethe opisał te reakcje zachodzące na Słońcu, za co otrzymał w 1967 r. Nagrodę Nobla.

Reakcja fuzji, czy też syntezy, zachodzi niejako odwrotnie do reakcji rozszczepienia jądrowego. Połączenie się dwóch lżejszych jąder powoduje powstanie jądra, którego masa jest lżejsza niż suma jąder, które je stworzyły. Najbardziej wydajna reakcja syntezy na Ziemi to reakcja deuteru i trytu, a więc izotopów wodoru, w wyniku której powstają neutrony i jądro helu.

Jak wykorzystać fuzję termojądrową jako nowe źródło energii?

Fuzją termojądrową jako źródłem energii zaczęto się interesować już w połowie ubiegłego wieku. Wtedy to prace nad jej pokojowym wykorzystaniem zainicjowały zarówno Związek Radziecki, jak i Stany Zjednoczone. Człowiek postanowił pracować nad wykorzystaniem reakcji termojądrowych zachodzących we wnętrzu Słońca i zbudowaniem urządzenia, które mogłoby generować energię również w warunkach ziemskich.

Na Ziemi opracowano dwie koncepcje fuzji w celach wykorzystania ich do uzyskiwania energii. Koncepcję z magnetycznym utrzymaniem plazmy oraz koncepcję z inercyjnym utrzymaniem plazmy, a więc z użyciem laserów. W przypadku pierwszej z nich rozwijane są obecnie dwa urządzenia. Tokamak, czyli toroidalna komora z nawiniętymi cewkami magnetycznymi, przez której środek przechodzi transformator, a prąd plazmy stanowi uzwojenie wtórne, dzięki czemu możemy generować plazmę o wysokich parametrach, zwiększając jej temperaturę. Drugie urządzenie to stellarator opracowany w ramach pokojowego projektu wykorzystania reakcji syntezy jądrowej w latach 50. ubiegłego wieku przez Lymana Spitzera w USA. W tym urządzeniu komora również posiada kształt torusa, ale nie ma transformatora przeprowadzonego przez środek. Cewki odznaczają się zaś charakterystycznym kształtem, co umożliwia utrzymywanie plazmy z dala od ścianek komory.

W jakiej fazie są obecnie technologie termojądrowe?

Obecnie na świecie największym programem mającym na celu opanowanie i doprowadzenie do wykorzystania reakcji termojądrowej w celach tworzenia energii jest projekt ITER. „Iter” po łacinie oznacza drogę, co jest moim zdaniem bardzo trafne, gdyż to urządzenie stanowi kolejny etap na drodze ludzkości do osiągnięcia celu uzyskiwania energii z fuzji jądrowej. Historia projektu zaczęła się w 1985 r., kiedy na szczycie mocarstw prezydenci USA, Związku Radzieckiego, Wlk. Brytanii i Francji podjęli decyzję o uruchomieniu międzynarodowego przedsięwzięcia budowy reaktora eksperymentalnego, mającego za zadanie generację plazmy i zademonstrowanie fuzji termojądrowej.

Tak jak wspomniałam ITER stanowi pewien etap i będzie jeszcze reaktorem eksperymentalnym, sprawdzającym do tej pory opracowywane technologie, a także różne metody uzyskiwania energii. Kolejna faza to już zaś demonstracyjny reaktor termojądrowy wytwarzający energię elektryczną. W projekt zaangażowane są kraje UE, Rosja, Stany Zjednoczone, Korea Płd. Chiny, Japonia i Indie.

Czy fuzja termojądrowa to rozwiązanie bezpieczne i dobre dla środowiska?

Energia termojądrowa jest z zasady energią czystą, niegenerującą dwutlenku węgla, a więc w dłuższej perspektywie, w momencie kiedy zostanie osiągnięta, wraz z odnawialnymi źródłami energii z pewnością nabierze istotnego znaczenia. Powinno się tak stać chociażby ze względu na paliwo wykorzystywane w reaktorach termojądrowych, gdzie mamy do czynienia z izotopami wodoru, deuterem i trytem. Deuter znajduje się w wodzie morskiej, więc pozyskanie go jest jak najbardziej możliwe i źródło to jest można powiedzieć niewyczerpywalne. Jeżeli chodzi o tryt, to może być on wytwarzany w reakcji litu z neutronami, lit jest zaś powszechny w skorupie ziemskiej.

Co w tej chwili stoi na przeszkodzie do wykorzystywania tego typu energii?

W tej chwili musimy zaczekać właśnie na uruchomienie reaktora ITER, które przewidziane jest na koniec 2025 r. Obecnie wciąż działające na świecie reaktory eksperymentalne, tokamak JET w Wielkiej Brytanii i największy na świecie stellarator Wendelstein 7-X, uruchomiony niedawno w Niemczech, są wykorzystywane do opracowywania różnych technologii, a więc sprawdzają materiały konstrukcyjne do budowy takich reaktorów. Kampanie eksperymentalne przeprowadzane na tych urządzeniach mają na celu tworzenie scenariuszy fizycznych dla reaktora ITER, jak również różnych metod grzania plazmy. ITER będzie również pierwszym urządzeniem, które zademonstruje wytwarzanie trytu w tzw. blankiecie, a więc elemencie wewnętrznym komory tego urządzenia, gdzie w wyniku reakcji litu z neutronami powstającymi w reakcji DT (deuter-tryt) ten tryt będzie generowany.

Oglądaj część I

Oglądaj część II