Moc Słońca uwolnimy na Ziemi

Pierwsza część reaktora termojądrowego ITER w Cadarache niedaleko Marsylii została już zmontowana. Do końca roku ma być gotowy fundament pod kompleks reaktora. Cała budowa ma się zakończyć w 2019 roku.

Uruchomienie głównej części gigantycznego urządzenia – tokamaka – nastąpi rok później. Ta dziwna nazwa określająca reaktory termojądrowe pochodzi z języka rosyjskiego. To skrótowiec od słów „Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami”, czyli toroidalna komora z cewką magnetyczną. Fizycy z dawnego ZSRR w 1950 roku wyprzedzili wszystkich w konstruowaniu urządzenia do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej. Stąd rosyjska nazwa urządzenia trafiła do powszechnego użytku na całym świecie.

Zobacz schemat zachodzenia procesu syntezy jądrowej w tokamaku

Po początkowych problemach z projektem Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termonuklearnego ITER (ang. skrót International Thermonuclear Experimental Reactor) i trudnościach z koordynacją wyjątkowy projekt naukowy ma wszelkie szanse, aby udało się doprowadzć go do szczęśliwego finału. Borykający się z wieloma opóźnieniami i kłopotami natury finansowej projekt budowy ruszył pełną parą. Opóźnienia w stosunku do pierwotnego planu wynoszą ok. dwóch lat. Mimo tego szefowie projektu deklarują, że urządzenie będzie uruchomione zaledwie rok później, niż zakładał pierwotny plan z 2008 roku, kiedy zostało wydane pozwolenie na budowę w Cadarache. Jednym ze sposobów nadrobienia zaległości, na jaki zdecydowało się konsorcjum zarządzające projektem, jest modyfikacja kluczowych budynków.

Spełnione marzenia

– Ta sytuacja jest bardzo frustrująca, jednak nie ukrywamy niczego – powiedział BBC News David Campbell, zastępca dyrektora projektu ITER. –Teraz robimy wszystko, co możemy, aby odzyskać jak najwięcej straconego czasu. Projekt jest niezwykle ekscytujący. To dodaje nam sił. Każdy z nas chciałby zobaczyć energię pochodzącą z reakcji termojądrowej najszybciej, jak to możliwe.

– Reaktor jest niezwykle skomplikowanym urządzeniem, jego elementy wykonywane są na całym świecie – powiedział Ken Blackler, odpowiedzialny za budowę tokamaka. – Musimy się zgrać i budować krok po kroku, więc wszystkie transporty będą musiały przybyć w odpowiedniej kolejności – to jest naprawdę trudne przedsięwzięcie logistyczne.

Reakcja termojądrowa może być źródłem energii

Pomysł na eksperymentalny reaktor termojądrowy, który byłby w stanie tanim kosztem wytwarzać olbrzymie ilości energii, sięga wczesnych lat 50. ubiegłego wieku. Fuzja jądrowa spełnia marzenie o prawie nieograniczonym źródle energii zasilanym przez dwa łatwo dostępne izotopy wodoru. Zaletą takiego rozwiązania jest połączenie taniego paliwa, niewielu odpadów promieniotwórczych oraz braku emisji gazów cieplarnianych.

Ale wyzwania techniczne: kontrolowanie procesu fuzji i sposób odzyskiwania energii są ogromne. Przez kilka dekad fizycy przekonywali, że wykorzystanie kontrolowanej reakcji termonuklearnej będzie możliwe w perspektywie przynajmniej 30–40 lat.

Drogi eksperyment

Bezpośrednim prekursorem reaktora ITER jest eksperymentalny JET (Joint European Torus), europejski projekt pilotażowy reaktora działającego od 20 lat w Culham w Wielkiej Brytanii. JET z komorą próżniową o średnicy ok. 3 metrów pozwala uzyskać 16 MW energii – ok. 30 razy mniej niż planowana wydajność ITER, który na każde 50 MW dostarczonej energii ma wyprodukować 500 MW w postaci ciepła dostarczanego do generatora elektrowni. Komora próżniowa, w której znajdzie się plazma w ITER, ma 16 metrów średnicy i 11 metrów wysokości.

W ramach eksperymentu ITER początkowo współpracowało kilka krajów europejskich, USA i Japonia. Nie mogły jednak dojść do porozumienia, gdzie ów reaktor mógłby stanąć. O jego lokalizację walczyły Niemcy, Japonia i Francja. Ostatecznie zapadła decyzja, że ITER powstanie niedaleko Marsylii. Zezwolenie na budowę reaktora formalnie zostało wydane w 2008 roku. Przesądziła bliskość dużego portu morskiego. A i tak do skompletowania całego urządzenia lokalne władze będą musiały przebudować drogi. Niektóre elementy do budowy skomplikowanego urządzenia będą małe i delikatne. Inne tak duże, że nie zmieszczą się na normalnych drogach.

Przez kolejne dziesięciolecia naukowcy będą sprawdzali różne rozwiązania techniczne, które pozwoliłyby w przyszłości wykorzystywać fuzję nuklearną do produkcji taniej i czystej energii elektrycznej.

ITER to jeden z najdroższych eksperymentów naukowych w historii ludzkości. Jego koszty wyniosą ok. 15 mld euro. Przewyższy je jedynie budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która pochłonęła 100 mld dolarów. Nawet największy na świecie akcelerator cząstek Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) pod Genewą kosztował znacznie mniej, ok. 7,5 mld euro.

Dokładne sumy przeznaczone na budowę ITER są trudne do oszacowania, ponieważ poszczególne kraje wnoszą je w „naturze”, a nie w gotówce. Unia Europejska na przykład wybuduje wszystkie budynki i całą infrastrukturę.

Podobnie jak stacja orbitalna i LHC ITER wymagał połączenia wysiłków wielu krajów. Dlatego w projekcie biorą udział naukowcy z krajów reprezentujących połowę ludzkości: USA, Unii Europejskiej, Chin, Indii, Japonii i Rosji, a także z Polski (m.in. z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy z Warszawy).

Jak to działa

W procesie syntezy termojądrowej lekkie jądra atomowe izotopów wodoru: deuteru i trytu łączą się i powstają cięższe jądra helu oraz energia. Ze względu na siły odpychania elektrostatycznego synteza jąder jest możliwa w bardzo wysokiej temperaturze. We wnętrzu reaktora panować będzie temperatura rzędu 100–200 mln stopni Celsjusza. Najtrudniejsze będzie uzyskanie plazmy o tej temperaturze. Potrzebne do tego jest olbrzymie pole magnetyczne. Będą je wytwarzać elektromagnesy wokół komory tokamaka. Ale elektromagnesy muszą pracować w temperaturze -269 st. C.

Pod wpływem olbrzymiej temperatury wewnątrz komory atomy stracą powłoki elektronowe i utworzą plazmę. Jądra atomowe, z których składa się plazma, będą się zderzały, w wyniku czego wytworzy się energia zamieniana następnie na energię elektryczną. W przeciwieństwie do tradycyjnych elektrowni atomowych reaktory syntezy termojądrowej nie będą produkowały radioaktywnych śmieci.

Cały projekt przewidziany jest na 30 lat: po 10 latach budowy zaplanowano 20 lat eksperymentalnej pracy reaktora. Na bazie ITER ma powstać nowa generacja reaktorów. Sam ITER będzie miał moc niewiele większą niż najsłabszy blok japońskiej elektrowni jądrowej Fukushima. Ale na podstawie doświadczeń uzyskanych podczas pracy eksperymentalnego tokamaka będą mogły powstać reaktory, które wyprodukują wielokrotnie większe ilości energii.

Wtedy ludzkość będzie miała szansę zapewnić sobie źródła energii bez konieczności spalania paliw kopalnych i uwalniania milionów ton gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia, jakie prognozowane jest na wiek XXI.

Eksperyment wysokiego ryzyka

Reaktor ITER to doświadczenie, którego ramy nie są do końca nakreślone, a uzyskane wyniki mogą zdziwić naukowców.
Kiedy będzie już działał, zainicjowany zostanie inny międzynarodowy projekt badawczy – International Fusion Materials Irradiation Facility. Badacze będą testowali materiały zdatne do użycia w przyszłych elektrowniach termojądrowych. Dopiero następnym krokiem ma być budowa pierwszej działającej na zasadach komercyjnych elektrowni.

Ale dzisiaj kilka lat przed uruchomieniem reaktora nie wszystkie problemy zostały rozwiązane, np. uszczelnienie jego komory. Równolegle z budowniczymi ciągle pracują konstruktorzy i fizycy. Jeden z podstawowych problemów pozostawał nierozwiązany do niedawna – jak uzyskać odpowiednio gęstą plazmę. Dopiero w ubiegłym roku problem teoretycznie rozwiązali fizycy z Princeton Plasma Physics Laboratory i opisali je na łamach specjalistycznego magazynu „Physical Review Letters”.

Swoje obliczenia naukowcy amerykańscy sprawdzają teraz w tokamaku Alcator C-Mod w MIT.