Fuzja jądrowa - gdzie zapłonie sztuczne słońce?

W centrum naszego układu planetarnego, 150 milionów kilometrów od Ziemi, jądra atomów wodoru łączą się, tworząc hel. W trakcie tego procesu powstają olbrzymie ilości energii, dzięki której Słońce świeci i grzeje. Dokładniej oznacza to, że gwiazda ta przetwarza 564 miliony ton wodoru na sekundę do postaci 560 milionów ton helu, a różnica czterech milionów ton uwalniana jest w postaci energii i tak bez przerwy od 4,6 mld lat. Energia wyprodukowana wewnątrz Słońca w ciągu jednej sekundy wystarczyłaby, aby pokryć nasze zapotrzebowanie na milion lat.

Fuzja, która zachodzi w gwieździe, jest trudna do przeprowadzenia na Ziemi. Jądra atomowe mają bowiem dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają. Dopiero pod wpływem wysokiego ciśnienia oraz przy panujących wewnątrz Słońca ekstremalnie wysokich temperaturach rzędu 15 milionów stopni Celsjusza jądra atomów są w stanie pokonać siły odpychania i na skutek zderzenia znaleźć się dostatecznie blisko, by doszło do ich połączenia w nowy atom - hel.

Skoro jednak nie ma możliwości skorzystania z tego naturalnego kosmicznego reaktora, jakim jest gwiazda, to aby skłonić atomy do łączenia się, trzeba je sztucznie rozpędzić za pomocą ogromnej ilości energii. Mimo że fizycy już od 1920 roku wiedzą, dzięki czemu Słońce świeci, to odtworzenie tych procesów na powierzchni Błękitnej Planety stanowi dla nich ogromne wyzwanie. 

Jest to jak na razie niespełnione marzenie o niewyczerpalnym źródle energii, którą można uzyskać, odtwarzając potężne zjawiska zachodzące we wnętrzach gwiazd. Umożliwiająca to technologia jest dziś niezbędna jak nigdy dotąd - po katastrofie nuklearnej w Fukushimie w 2011 roku desperacko poszukuje się alternatywy dla energii atomowej.

Mogłoby nią być efektywniejsze wykorzystanie sił przyrody. Czy jednak elektrownie wodne, wiatrowe i moduły fotowoltaiczne to nasza jedyna nadzieja na energetykę przyszłości? A może gigantyczną energię tkwiącą w jądrach atomów da się wyzwolić w inny, bezpieczniejszy sposób niż w reaktorach nuklearnych?

Jak dotąd ludzkość zrobiła użytek z syntezy termojądrowej jedynie w celach militarnych. Tylko w bombach wodorowych jądra atomowe połączyły się ze sobą na dużą skalę. Najpotężniejszy zdetonowany dotąd ładunek atomowy stanowiła rosyjska bomba wodorowa o nazwie "Car bomba". Jej siłę rażenia szacuje się na 50-60 megaton trotylu, czyli prawie 4000 razy więcej niż w przypadku tej zrzuconej na Hiroszimę. Działo się to w roku 1961. Dziś, blisko 60 lat później, planuje się kolejną wodorową "eksplozję", jednak na o wiele mniejszą skalę. 

Livermore, Kalifornia, National Ignition Facility (ang. Narodowy Zakład Zapłonu, NIF). Wewnątrz kuli o 10-metrowej średnicy 192 wiązki laserowe wycelowane są na znajdujący się w jej centrum obiekt wielkości ziarnka ryżu. Jest to zamarznięty wodór zamknięty w cieniutkiej osłonce ze złota. Kiedy wszystkie promienie lasera zostają skierowane jednocześnie na 20 nanosekund na "złote ziarenko", powstaje w nim temperatura rzędu 100 milionów stopni Celsjusza. Jądra atomów wodoru w jego wnętrzu poddawane są działaniu potężnej siły. Rozpędzane do niewyobrażalnej prędkości, łączą się ze sobą, tworząc hel oraz oddając przy tym energię. W ten sposób najsilniejszy laser na świecie zapala najmniejszą gwiazdę w kosmosie, która wskutek fuzji jądrowej emituje nawet 100 razy więcej energii, niż jest potrzebne do jej rozświetlenia. Na razie to tylko teoria, ale już podczas pierwszych, testowych detonacji udało się na ułamek sekundy uzyskać moc 500 razy przewyższającą wydajność wszystkich elektrowni w USA.

Plany sięgają jeszcze dalej. Z-Machine (ang. maszyna Z) w Nowym Meksyku sprawia, że przez miniaturową kapsułkę fuzyjną płynie prąd o gigantycznym natężeniu. Przez kilka miliardowych części sekundy dostarcza w ten sposób prawie 80 razy więcej mocy niż elektrownie całego świata. Ed Moses z NIF porównuje znaczenie syntezy termojądrowej z lądowaniem człowieka na Księżycu. - Jeśli uda nam się poskromić fuzję, uzyskamy niewyczerpalne, niezagrażające środowisku źródło energii, które będzie dostępne w każdym miejscu naszego globu. Ta technologia zmieni wszystko - twierdzi fizyk. Naukowcy opowiadają się za fuzją izotopów wodoru: deuteru i trytu. Pierwszy z nich występuje w wystarczającej ilości w morzach oraz oceanach. Fizycy szacują, iż dzięki wodorowi zawartemu w dwóch litrach wody morskiej można by zaopatrywać przeciętną rodzinę w prąd przez cały rok, a ilość tego pierwiastka z zaledwie jednej kropli wystarczyłaby, aby wyprodukować paliwo potrzebne do przejechania 100 kilometrów. Oznacza to, że technologia łączenia jąder atomów teoretycznie mogłaby zastąpić wszystkie obecnie istniejące elektrownie na świecie. 

Brzmi to może trochę jak fantastyczna idea średniowiecznych alchemików, aby ołów zamieniać w złoto. Synteza termojądrowa uznawana była za wizję mającą szansę na realizację w bardzo niedalekiej przyszłości, jednak wyniki kolejnych doświadczeń uświadamiały istnienie coraz to nowych problemów. Teraz wydaje się, iż sukces jest już na wyciągnięcie ręki.

Projekty testowane w kalifornijskim Livermore powinno udać się zrealizować na większą skalę. Od 2008 roku w południowej Francji budowany jest Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy, w skrócie ITER. Będzie on wyposażony w układy niezwykle silnych magnesów, których zadaniem jest utrzymywanie w obrębie reaktora plazmy powstającej podczas syntezy jąder atomowych. Plazma - czyli czwarty stan skupienia materii - jest naładowanym elektrycznie gazem o wysokiej temperaturze i stanowi podstawowy budulec gwiazd. Taka magnetyczna pułapka jest konieczna, aby nie dopuścić do niekontrolowanego kontaktu plazmy ze ścianami reaktora. Mogłoby to spowodować jej wychłodzenie, w wyniku czego fuzja zostałaby przerwana. W trybie testowym reaktor ITER powinien mieć moc co najmniej 500 MW. To 10 razy więcej, niż potrzeba do rozgrzania wodoru, aby osiągnął stan plazmy. Uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego jest jednym z głównych celów badań nad syntezą termojądrową, gdyż dopiero po jego osiągnięciu ITER w 2050 roku zostanie zastąpiony przez pierwszy w pełni komercyjny reaktor DEMO.

Wszystko to brzmi niezwykle obiecująco, ale niestety musimy jeszcze rozwiązać wiele problemów. - Słońce jest kulą plazmy, w której wciąż dochodzi do rozbłysków, protuberancji i wirów - tłumaczy francuski fi zyk dr Pascale Hennequin. Ze względu na fizyczne właściwości plazmy trudno jest ją kontrolować. Czasami to tak, jakby usiłować schwytać w palce budyń. Plazma ma tendencję do stałego wyślizgiwania się z pola magnetycznego, które ma utrzymać ją w ryzach. Jest to zjawisko trybów brzegowej niestabilności (ang. edge localized modes, ELM), w wyniku którego na brzegach plazmy dochodzi do okresowego wyrzucania fragmentów poza obszar pola, ku ścianie reaktora. W ten sposób plazma emituje nawet dziesiątą część energii. W trakcie bezustannej pracy reaktora ścianie zbiornika groziłyby uszkodzenia. Naukowcy próbują obecnie złagodzić te niestabilności za pomocą specjalnych cewek magnetycznych.

Inny problem polega na tym, że do reakcji potrzebny jest też tryt - izotop wodoru występujący w przyrodzie w znikomej ilości. On także musiałby być wytwarzany w reaktorze, ale nie jest pewne, czy udałoby się wyprodukować jego odpowiednią ilość. Co więcej, materiały wykorzystywane do budowy reaktora trzeba jeszcze udoskonalić i poddać długotrwałym testom, ponieważ powinny wytrzymywać temperatury oraz ciśnienia, jakie nigdy nie występowały na naszej planecie. Trzeba też brać pod uwagę głosy zaniepokojonych tą nową technologią: niekontrolowana plazma, 100 milionów stopni Celsjusza, wytwarzanie izotopów, łączące się jądra atomów - to ma być nieszkodliwe? W rzeczy samej! Inaczej niż w procesie rozszczepienia jąder do ich syntezy nie potrzeba radioaktywnego materiału (np. izotopów uranu czy plutonu), który jest niezbędny w trakcie reakcji łańcuchowej będącej źródłem energii w elektrowniach atomowych. - Jeśliby nawet pole magnetyczne utrzymujące gorącą plazmę przestałoby działać, nic złego nie ma się prawa zdarzyć. Gorący wodór w zetknięciu ze ścianami natychmiast się wychładza, wskutek czego "sztuczne słońce" zgaśnie w ciągu paru milisekund - mówi dr Dariusz Twaróg z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. 

Dlatego obawa, iż reaktor wyleci w powietrze z powodu przegrzania, jest nieuzasadniona. Niebezpieczeństwo mogą stwarzać jedynie izotopy promieniotwórcze powstające w ścianach reaktora w efekcie bombardowania neutronami uwalnianymi w procesie fuzji. Poziom ich promieniowania jest jednak nieporównywalnie niższy niż ten w elektrowniach atomowych, a ponieważ ściana reaktora zbudowana jest głównie z pierwiastków lekkich, których izotopy mają krótki czas połowicznego rozpadu, praktycznie całkowicie znika problem składowania radioaktywnych śmieci. Elektrownia z reaktorem typu ITER mogłaby produkować niewielkie ilości energii w porównaniu do wykorzystujących fuzję laserową: jej planowana moc wynosi 1500 MW. To tyle, ile wytwarza elektrownia węglowa lub atomowa - lecz w tym przypadku właściwie bez emisji szkodliwych substancji oraz ryzykownych reakcji łańcuchowych. Pierwsze próby syntezy w reaktorze ITER mają być przeprowadzone za sześć lat. Wtedy stanie się jasne, czy rzeczywiście potrafi my wykorzystać potencjał otaczających nas tryliardów jąder atomowych.