Fuzja to święty Graal energetyki

Zerowa emisja gazów cieplarnianych, nieskończone zasoby źródła energii i efektywność odpowiadająca spaleniu jedenastu ton węgla w jednym gramie paliwa. Dla niektórych brzmi to jak bajka, ale dla fizyków i inżynierów parających się fuzją termojądrową jest to osiągalne rozwiązanie problemu efektu cieplarnianego, produkcji odpadów i zanieczyszczenia środowiska, oraz niezmiennie wzrastającego zapotrzebowania na energię.

Synteza jądrowa została już przez nas dość dobrze zrozumiana i jedyne, co stoi na przeszkodzie w zbudowaniu Słońca na Ziemi (dosłownie), to opanowanie kontroli nad czwartym stanem materii, plazmą rozgrzaną do 150 milionów stopni. Jednakże bez aktywnego udziału polityków, którzy zrozumieją, że elektrownie oparte na fuzji nie są elementem scenariusza filmu sci-fi, ale prawdziwą technologią ze stuletnią historią rozwoju, wyścig o miano potęgi energetycznej przyszłości może odbyć się bez nas.

Jak to działa?

Fuzja termonuklearna była świętym Graalem fizyków jądrowych już od czasów międzywojnia, kiedy to w latach dwudziestych odkryto, że masa jądra helu jest mniejsza, niż masa cząstek składających się na nie. Ta „znikająca masa” okazała się być przemieniana w ogromną ilość energii zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc2. Synteza jądrowa to naturalny proces mający miejsce wewnątrz gwiazd. Gwiazdy, jak i nasze Słońce, są gazowymi olbrzymami składającymi się głównie z wodoru i helu, lekkich pierwiastków najpowszechniejszych w kosmosie. Energia w postaci promieni elektromagnetycznych (promieni słonecznych) zostaje uwolniona, gdy jądra tych lekkich pierwiastków są miażdzone przez ogromne siły grawitacyjne gwiazdy, co skutkuje produkcją cięższych pierwiastków. Dzieje się to z powodu różnic między oddziaływaniami cząstek budujących jądra atomowe. Tak samo, jak przywykliśmy do wody zamarzającej w zerze stopni i gotującej się w stu stopniach Celsjusza, tak jądra różnych pierwiastków mają różne, niezmienne cechy charakterystyczne, które przekładają się na istnienie procesów łączenia lub rozpadów promieniotwórczych.

Synteza lekkich jąder nie jest jednak taka łatwa do przeprowadzenia. Cząstki budujące jądra atomowe są dodatnio naładowane elektrycznie, co oznacza, że jeżeli nie są nieskończenie blisko siebie, wzajemnie się odpychają, zupełnie jak dwa dodatnie bieguny magnesu. Żeby doszło do ich połączenia i wyzwolenia energii, należy je najpierw zbliżyć na odległość około jednej miliardowej mikrometra, pokonując potężne siły odpychania. Nasza najbliższa gwiazda dokonuje tego używając swej ogromnej masy. Słońce waży około dwa kwintyliony (biliard biliardów) kilogramów, czyli 333 tysiące mas Ziemi. To właśnie dzięki tej ogromnej masie przyciągające oddziaływanie grawitacyjne Słońca powoduje, że Ziemia krąży wokół niego. Ta potężna masa zgniata gazy wewnątrz Słońca z równie olbrzymią siłą, powodującą ciśnienia na tyle duże (rzędu dziesięciu miliardów atmosfer), żeby pokonać siły wzajemnego odpychania się jąder lekkich pierwiastków.

W jaki sposób możemy przeprowadzić fuzję jądrową na Ziemi, skoro nie mamy do dyspozycji takich wielkich sił natury? Duża masa i ciśnienie, a dokładniej ogromna gęstość „paliwa” potrzebnego do zajścia syntezy, nie jest jedynym jej warunkiem. Pozostałe dwa czynniki wpływające na zwiększenie prawdopodobieństwa przeprowadzenia fuzji to czas i temperatura. W odpowiednio wysokiej temperaturze możemy wymusić syntezę odpowiedniej mieszanki jąder najlżejszych pierwiastków. Dlatego właśnie reaktory termojądrowe często nazywane są słońcami na Ziemi, ponieważ temperatura niezbędna do przeprowadzenia reakcji jest wyższa nawet niż temperatura w centrum Słońca.

Reaktory fuzyjne

Od lat pięćdziesiątych powstało wiele odmiennych konceptów, które mogą zostać wykorzystane do zaprojektowania elektrowni opartej na reaktorze fuzyjnym. Obecnie jednymi z najpopularniejszych są urządzenia nazwane „tokamak” i „stellarator”. Oba do przeprowadzenia kontrolowanej syntezy jądrowej wykorzystują plazmę. Jednym z najbardziej efektywnych paliw termojądrowych jest mieszanka ciężkich izotopów wodoru, deuteru i trytu, które są gazami. Gdy gazy zostają podgrzane do odpowiednio wysokiej temperatury, ich atomy, pierwotnie składające się z dodatnio naładowanego elektrycznie jądra i negatywnie naładowanych elektronów, jonizują się, czyli tracą połączenie między jądrem a jego elektronami. Całkowicie zjonizowany gas nazywamy plazmą. Cechą charakterystyczną plazmy jest jej zdolność do oddziaływania z polem elektromagnetycznym. Plazma przewodzi prąd i ugina się pod działaniem magnesu dzięki odseparowanym ładunkom elektrycznym jej części składowych. Te właściwości używane są w magnetycznej metodzie syntezy jądrowej.

Tokamak

Pierwszy projekt magnetycznego uwięzienia plazmy w tokamaku został rozwinięty w Rosji i aktualnie opracowywany jest między innymi w Wielkiej Brytanii, Francji czy Japonii. Gazowa mieszanka paliwowa wypełnia toroidalną (czyli w kształcie pączka z dziurką) komorę reaktora i zostaje podgrzana z wykorzystaniem różnorakich metod do temperatury jonizacji. Potężne elektromagnesy używane są następnie do skompresowania plazmy w centrum torusa, by możliwe było dalsze zwiększenie temperatury aż do uzyskania energii na tyle wysokiej, żeby doszło do syntezy deuteru i trytu w jądro helu. Pod wpływem pola elektromagnetycznego plazma krąży w zamkniętym obiegu i nie ucieka z reaktora. Ze względu na ekstremalne temperatury niezbędne do zajścia fuzji, plazma musi zostać ściśnięta i utrzymana z dala od ścian komory reaktora. W przeciwnym razie gorące medium utraci swoją temperaturę i zdolność do utrzymania reakcji, przy okazji uszkadzając lub nawet topiąc strukturalne elementy reaktora.

Stellarator

Stellarator został wynaleziony przez amerykańskiego naukowca i swoją zasadę działania opiera na elektromagnesach o skomplikowanym kształcie. Zasadniczo stellarator swoim kształtem przypomina poskręcanego torusa. To skręcenie pola elektromagnetycznego zmniejsza straty cieplne poruszającego się w nim paliwa, co pozwala na zwiększenie efektywności systemu. Złożona konstrukcja tego reaktora uniemożliwiła badania nad jego ulepszeniem aż do lat dziewięćdziesiątych, gdy nowe metody produkcji, nadprzewodniki i symulacje komputerowe zezwoliły na odnowienie badań. Aktualnie prym w badaniach wiodą Niemcy, Japonia i Stany Zjednoczone.

Energia wytworzona na drodze syntezy musi być większa niż energia wprowadzona do systemu poprzez ogrzewanie i pole magnetyczne, żeby elektrownia oparta na fuzji termojądrowej produkowała użyteczną energię netto. Dotychczasowe starania naukowców koncentrują się wokół przekroczenia progu zapłonu, czyli momentu, w którym energia syntezy jest na tyle duża, by reakcja podtrzymywała się samodzielnie bez zewnętrznego źródła ciepła – podobnie jak reakcja łańcuchowa w reaktorach jądrowych opartych na rozpadach ciężkich jąder uranu podtrzymuje się sama w kontrolowany sposób.

Dopiero w grudniu 2022 roku dokonano zapłonu po raz pierwszy, w amerykańskiej National Ignition Facility, używającej odmiennej metody przeprowadzenia syntezy opartej na laserach. Produkcja energii z wykorzystaniem tej metody wydaje się jednak o wiele bardziej odległa od komercjalizacji, niż metody magnetycznej. Metody magnetyczne jednak do tej pory ograniczały się jednak do bardzo krótkich testów, gdzie wysokotemperaturowa plazma jest utrzymana w reaktorze tylko przez kilka sekund, ze względu na trudności w opanowaniu plazmy. Rekord utrzymania plazmy należy do chińskiego tokamaka EAST, który w grudniu 2021 roku operował w 70 milionach stopni przez ponad 17 minut, wciąż jednak nie wytwarzając wystarczającej ilości energii.

Zalety środowiskowe

Synteza jądrowa nie wytwarza gazów cieplarnianych czy trujących substancji i pyłów, przez co jest potencjalnie najbardziej zielonym źródłem energii. Jedyny produkt „spalania” paliwa wodorowego to hel. Jednak warto pamiętać, że w analizach środowiskowych powinna być brana pod uwagę ocena całego cyklu życia elektrowni. Jednym z dobitnych przykładów mogących obniżyć pozytywną ocenę efektów środowiskowych elektrowni fuzyjnej jest produkcja i recykling wielkogabarytowych elektromagnesów czy innych elektronicznych komponentów wykorzystujących metale ziem rzadkich. Produkcja stopów metali, na przykład stali, również przyczynia się zanieczyszczenia środowiska poprzez wydobycie surowców lub spalanie paliw kopalnych w celu ogrzewania i stopienia surowca. Modernizacja i rozwój metod wydobycia, produkcji i przetwórstwa surowców i półproduktów niezbędnych do zbudowania nowoczesnych elektrowni powinny stać na równi z opanowaniem nowych form energii, jeżeli świat ma dążyć do przodu w zrównoważony sposób.

Jednym z argumentów propagatorów fuzji jądrowej jest obfitość paliwa wodorowego, które niektórzy nazywają odnawialnym źródłem energii ze względu na jego dostępność i możliwość wytworzenia większej ilości energii z fuzji niż włożono do systemu. Co prawda deuter i tryt są obecne w przyrodzie, ale stanowią tylko mniej niż jeden promil całego ziemskiego wodoru. Mimo to, porównując bezwzględne wartości, okazuje się, że przy użyciu odpowiednich metod wydobycia czy produkcji paliwa tego jest pod dostatkiem. Deuter może zostać wyekstrahowany z wody morskiej, której w oceanach mamy znaczne ilości, gdzie około jeden na pięć tysięcy atomów wodoru jest w formie deuteru. Tryt natomiast może zostać wyprodukowany z litu, pierwiastka powszechnego w skorupie ziemskiej, na drodze wymuszonej reakcji rozpadu, przykładowo zapoczątkowanej przez wolne cząsteczki pochodzące z fuzji (paliwo deuterowo-trytowe może wyprodukować więcej paliwa z tak zwanego płaszcza litowego będącego wewnętrznym elementem reaktora).

Biorąc pod uwagę teoretyczne zasoby, zużycie i potrzeby, odnawialność paliwa wodorowego jest oczywista. Gigawatowa elektrownia fuzyjna wykorzystuje tylko 100 kg deuteru i 150 kg trytu rocznie (w porównaniu z 28 tonami tlenku uranu w tradycyjnych reaktorach jądrowych czy prawie trzema milionami ton węgla). W oparciu o potencjalną wartość energetyczną deuteru i litu, w najgorszym przypadku paliwo fuzyjne potrzebne do zaspokojenia światowych potrzeb na energię elektryczną wystarczyłoby nam na kilka tysięcy lat – a w najlepszym razie na 60 milionów lat.

Szkodliwe wykorzystanie syntezy jądrowej

Reaktory fuzyjne nie mogą wybuchnąć i rozprowadzić materiałów promieniotwórczych w sposób podobny do awarii w 1986 roku elektrowni jądrowej w Czarnobylu, opartej na rozpadach. Nie jest to fizycznie możliwe, ponieważ synteza termojądrowa nie produkuje radioaktywnych gazów, takich jak cez lub jod, które mogą łatwo rozprzestrzenić się w atmosferze i są niebezpieczne dla człowieka. Ponadto, ze względu na nieodłączne trudności związane z utrzymaniem i kontrolą wysokotemperaturowej plazmy, jakakolwiek usterka w elektrowni, skutkująca odcięciem źródła energii niezbędnej do operacji siłowni, spowodowałaby natychmiastowe zatrzymanie reakcji syntezy i produkcji ciepła. W przypadku tradycyjnych elektrowni jądrowych odcięcie od prądu może natomiast potencjalnie doprowadzić do wzrostu temperatury rdzenia reaktora, co może mieć katastrofalne skutki.

Niestety, celowo niekontrolowane reakcje jądrowe, zarówno syntezy, jak i rozpadu, historycznie zawsze poprzedzały pokojowe wykorzystanie energii atomu do produkcji ciepła i prądu. Fuzja jądrowa była wykorzystywana już od 1952 roku do ulepszenia konstrukcji bomb atomowych, kiedy to Amerykanie przetestowali pierwszą bombę wodorową w operacji Ivy. Te same izotopy wodoru, które składają się na optymalne paliwo dla tokamaków, stanowią jeden z dwóch głównych elementów bomby termojądrowej. Zasada działania takiej broni polega na wywołaniu reakcji rozszczepienia jąder uranu lub plutonu w pierwszej części bomby, których energia indukuje reakcję syntezy deuteru i trytu, produkując jeszcze większą ilość energii i potęgując efekt wybuchu. Bomba wodorowa jest bardziej stabilna i efektywna niż bomba oparta tylko na plutonie, a ponadto jest w stanie rozprzestrzenić zabójcze promieniowanie i szkodliwe izotopy promieniotwórze z rozpadów na dalekie odległości.

Warto tutaj podkreślić, że do zdetonowania bomby fuzyjnej potrzeba dużych ilości uranu lub plutonu i nie jest możliwe zbudowanie takiej bomby tylko z paliwa wodorowego. Wiele pokojowych technologii może zostać wykorzystanych do celów militarnych i słowo „jądrowa” nie powinno mieć tylko i wyłącznie negatywnych konotacji. By zmienić niekorzystną opinię społeczeństw o energii jądrowej, władze państwowe powinny zainwestować w intensywne kampanie edukacyjne dużo wcześniej, niż pierwsze elektrownie jądrowe zostaną wybudowane lub starsze elektrownie zostaną odłączone od systemu elektroenergetycznego, jak w przypadku Niemiec.

Nowe technologie

Magnetyczne utrzymanie plazmy swój sukces opiera na wysokotemperaturowej plazmie i silnych elektromagnesach. Obie technologie są niestety antagonistyczne, ponieważ nadprzewodniki, z których takie magnesy są zbudowane, działają tylko w niskich temperaturach, a dokładniej w warunkach kriogenicznych. Najlepsze supermagnesy potrzebują ciągłego chłodzenia ciekłym helem o temperaturze -269 °C (tylko cztery stopnie powyżej zera bezwzględnego). By móc dokładnie kontrolować plazmę, magnesy te muszą być umieszczone jak najbliżej niej – ale na tyle daleko, żeby ich magnetyczne właściwości nie zniknęły pod wpływem wysokiej temperatury. Z drugiej strony, plazma musi osiągnąć temperatury rzędu milionów stopni, żeby mogło dojść do syntezy. Do tego celu wdrożone zostają potężne systemy grzewcze oparte na wysokoenergetycznych falach elektromagnetycznych (podobnych do mikrofal), przepływie prądu (jak w grzałkach elektrycznych) i przyspieszonych wiązkach naładowanych cząstek.

Żaden materiał nie będzie w stanie przetrwać bezpośredniego kontaktu z plazmą, dlatego pole elektromagnetyczne musi utrzymać plazmę z dala od ścian komory reaktora. By powyższe wymagania zostały spełnione, technologie wysokotemperaturowych nadprzewodników, supermagnesów, technologie kriogeniczne i grzewcze oraz nowe materiały, muszą zostać zbadane, wynalezione lub ulepszone. Dodatkowo systemy wspierające, takie jak pompy próżniowe czy systemy akwizycji danych, muszą zostać zintegrowane z najwyższą dokładnością. Udało się nam osiągnąć kontrolowaną fuzję, a nawet zapłon, aczkolwiek wydajność tych procesów pozostawia na razie wiele do życzenia. Dlatego wyścig o pierwszą pilotażową demonstrację wciąż trwa i dołączyć do niego można na wielu horyzontach.

Modele i symulacje komputerowe od kilkudziesięciu lat stanowią podstawowe narzędzie w projektowaniu systemów energetycznych. Okiełznanie niestabilnej energii plazmy nie byłoby możliwe bez superkomputerów, dokonujących najbardziej skomplikowanych obliczeń procesów fizycznych zachodzących w polu elektromagnetycznym reaktora fuzyjnego. Nowoczesne metody wykorzystujące uczenie maszynowe (sztuczną inteligencję) mogą zostać wykorzystane do stabilizacji plazmy poprzez ultraszybkie kontrolowanie parametrów plazmy w zwrotnej pętli zamkniętej. Komputer może sam nauczyć się sterowania mocą cewek siłowników magnetycznych reaktora w najbardziej optymalny sposób, zwiększając prawdopodobieństwo sukcesu i przeprowadzenia fuzji.

Takie podejście charakteryzuje się niespotykaną dotąd elastycznością w specyfikacji problemu i znacznym zmniejszeniem nakładów pracy projektowej, przy równoczesnym zwiększeniu efektywności i odnalezieniu nowych, lepszych konfiguracji plazmy. Udział sztucznej inteligencji w zdecydowanym stopniu przyczynia się do przyspieszenia badań w dziedzinie syntezy jądrowej.

Mimo że teoria plazmy jest dość dobrze zrozumiana, symulacje komputerowe nie są w stanie oddać rzeczywistości w stu procentach w czasie na tyle krótkim, by miał on wartość dla naukowców. Dlatego też wiele modelów komputerowych (nie tylko w dziedzinie fizyki plazmy) wprowadza uproszczenia do obliczeń. Dokładność takich uproszczonych modeli musi zostać potwierdzona eksperymentalnie. Analiza danych eksperymentalnych i porównanie ich z modelami komputerowymi jest jednym z kolejnych zadań, w których sztuczna inteligencja jest w stanie wspomóc człowieka w dużym stopniu. Jest to niezbędne, żeby projektanci reaktorów fuzyjnych mogli z pewnością zaufać ich obliczeniom ekstremalnych scenariuszy, których nie można zbadać eksperymentalnie.

Pomysł budowy kilkudziesięciu obiektów doświadczalnych w celu udowodnienia jednej tezy nie jest realny lub opłacalny, podczas gdy wykorzystanie symulacji do przewidywania zachowania plazmy w prototypowej elektrowni fuzyjnej z wykorzystaniem jednego eksperymentu i wielu symulacji jest jak najbardziej prawdopodobne – i niezbędne. Sztuczna inteligencja ma potencjał, żeby przyczynić się się do masowego rozwoju projektów reaktorów fuzyjnych i jest gwarancją przyspieszonego sukcesu.

Wyścig trwa

Najgłośniejszy międzynarodowy projekt budowy reaktora termojądrowego, ITER, zrzesza członków z Unii Europejskiej, Indii, Chin, Japonii, USA, Korei Południowej i Rosji. 35 państw buduje największy tokamak na świecie na południu Francji, który ma na celu wyprodukowanie dziesięciokrotnie większej ilości energii w reakcjach syntezy niż będzie do niego dostarczona, co przełoży się na moc cieplną 500 megawatów. ITER ma być reaktorem demonstracyjnym, który położy podwaliny pod prototypową dwugigawatową elektrownię nazwaną DEMO. Ten prawie najdroższy w historii megaprojekt rozpoczął się w 2005 roku i oczekuje się, że budowa reaktora zostanie ukończona pod koniec tej dekady.

Każdy członek konsorcjum zobowiązał się do produkcji elementów reaktora, co oznacza, że każdy z nich jest w stanie rozwinąć technologię we własnym zakresie i przyczynić się do finalnego efektu, gdzie podzespoły reaktora, zbudowane z takimi samymi wymaganiami, zostaną zintegrowane. Podejście to jest jednym z krytykowanych aspektów projektu ze względu na odmienne standardy produkcji i kontroli jakości pośród setek firm wykonujących ponad 2800 kontraktów projektowych lub wykonawczych.

W ostatnim dziesięcioleciu pojawiło się również ponad dwadzieścia małych, prywatnych firm zajmujących się projektowaniem reaktorów termojądrowych lub dostarczaniem elementów i usług związanych z rozwojem technologii fuzyjnych. Podobny trend obserwuje się w dziedzinie małych reaktorów jądrowych nowej generacji. Większość z nich została założona w USA, Japonii, Wielkiej Brytanii, Francji czy Kanadzie, czyli państwach z historią badań nad fuzją. Różnica między międzynarodowymi konsorcjami i instytucjami badawczymi a startupami jest taka, że prywatne firmy mają potencjał do znacznie szybszego przeprowadzenia procesu, od zaprojektowania elektrowni, przez przetestowanie demonstratora, do komercjalizacji technologii. Jednym z największych wyzwań stojących przed prywatnymi uczestnikami tego wyścigu jest jednak prawo. Użycie materiałów promieniotwórczych i wykorzystanie energii jądrowej wymagają wyspecjalizowanych zezwoleń. Państwa nie posiadające elektrowni jądrowych zazwyczaj nie mają organów rządowych, które byłyby w stanie przeprowadzić proces licencjonowania takiej instalacji. Do tego elektrownie fuzyjne nigdy nie zostały zbudowane, więc ustawodawca nie wie nawet, czego nowe prawo miałoby dotyczyć. Dlatego jest nadzwyczaj ważne, żeby nowe technologie były rozwijane razem z organami rządowymi, co znacznie skróci czas wejścia na rynek i ułatwi ustanowienie nowych przepisów prawnych czy odgórnych wymagań bezpieczeństwa.

Fuzja jądrowa zdecydowanie może stać się mnożnikiem potęgi gospodarczej państwa, które mądrze wykorzysta potrzeby, ryzyko i możliwości technologiczne zagadnienia. Obecnie udział Polaków w wyścigu ogranicza się do podstawowych badań, produkcji systemów próżniowych, kriogeniki i opracowania systemów diagnostycznych. Rządowe wsparcie badań, zarówno akademickich, jak i prywatnych, podobne do modelu dofinansowywania badań w naukach jądrowych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, jest tutaj kluczowe. Budowa elektrowni termojądrowej to wielkie przedsięwzięcie bez względu na to, czy jest to gigawatowa, jak w przypadku ITER-a i DEMO, czy megawatowa lub niższa skala, jak w przypadku większości startupów. Bez odpowiednich funduszy rozwój elementów technologii fuzyjnych jest udaremniony już na starcie. Biorąc pod uwagę niezliczony potencjał syntezy jądrowej do produkcji niskoemisyjnej i wysoceefektywnej energii, ustalenie budżetu przeznaczonego dla badań i rozwoju technologii fuzyjnych wydaje się być oczywistą decyzją. Budżet taki powinien pokrywać zarówno produkcję paliwa i elementów reaktora, jak i jego operację, sterowanie i diagnostykę, włączając w to rozwój nowych wysokotemperaturowych technologii pomiarowych, jak też utrzymanie i wycofanie z eksploatacji i recykling.

Jeżeli Polska miałaby skorzystać z fuzji w celu zwiększenia rozwoju gospodarczego, ten rok to dobry moment na rozpoczęcie narodowego programu wsparcia. Obecna sytuacja rynkowa i kryzys energetyczny już teraz były w stanie odnowić zainteresowanie konwencjonalną i zaawansowaną technologią jądrową na całym świecie, a fuzji wcale nie jest tak daleko od rozpadów. Niezależnie od tego, kto pierwszy osiągnie i utrzyma zapłon plazmy przez stosowny czas i kto zbuduje pierwszą pilotażową elektrownię fuzyjną, zwycięzcą w wyścigu będzie ten, kto zdominuje ten rynek w łańcuchu dostaw paliwa, produktów i usług niezbędnych do funkcjonowania elektrowni.

 Mateusz Pater

Fizyk i inżynier reaktorów jądrowych wyspecjalizowany w wysokotemperaturowych
i korozyjnych systemach energetycznych opartych na stopionych solach. Pracuje w Kopenhadze,
w firmie Seaborg Technologies, jako inżynier projektu w oddziale procesów chemicznych,
gdzie nadzoruje rozwój technologii kontroli korozji dynamicznych systemów ze stopionymi solami.