Energia przyszłości ukryta w atomach wodoru

Od lat staramy się rozwiązać problem stale rosnącego zapotrzebowania na energię, który, jakby na domiar złego, wiąże się z postępującym zanieczyszczaniem środowiska. Teoretycznie najkorzystniejszym wyjściem z sytuacji wydaje się energia pochodząca z rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich. Jest stosunkowo czysta, bo nie uwalnia do atmosfery dymu. Produkuje jednak radioaktywne, a więc wyjątkowo toksyczne, odpady. W grę wchodzą również rzadkie, ale katastrofalne w skutkach awarie. Idealnym rozwiązaniem mogłyby okazać się źródła odnawialne, ale te nie gwarantują atomowej wydajności. W tym miejscu rzeczywistość spotyka się z badaniami i nadzieją na rozwiązanie idealne - efektywne, tanie i czyste.

Takie o dziwo istnieje i każdy z nas korzysta z niego niemal bez przerwy. Chodzi naturalnie o energię Słońca, a dokładniej - mechanizm prowadzący do jej powstawania. Polega on na łączeniu jąder atomów wodoru, w wyniku czego powstają jądra helu. Proces ten przebiega w warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury rzędu 100-150 mln stopni Celsjusza. Okazuje się jednak, że naukowcy wiedzą, w jaki sposób przeprowadzić go tutaj, na Ziemi. Służą do tego komory zwane tokamakami. W ich wnętrzu podgrzewa się plazmę, której temperatura osiąga wspomniane wartości. Jest przy tym utrzymywana z dala od ścian komory dzięki polu magnetycznemu o potężnym natężeniu.

Pierwszą reakcję fuzji przeprowadzono w tokomaku JET znajdującym się niedaleko miasta Culham w Wielkiej Brytanii. Naukowcom udało się połączyć jądra deuteru i trytu, w wyniku czego otrzymano moc rzędu 16 MW. Ale najważniejszym obecnie przedsięwzięciem jest ITER, czyli Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy. Ten niezwykle nowoczesny kompleks znajduje się we Francji, w Cadarache, a powstał z inicjatywy Unii Europejskiej oraz Indii, Japonii, Chin, Rosji, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych.

Zaprojektowano go z myślą o przekroczeniu pułapu 500 MW mocy, przy dostarczeniu energii rzędu 50 MW, czyli dziesięciokrotnie mniejszej. Cały proces potrwa około 1000 sekund. Zgodnie z planem, pierwsza rekcja fuzji zostanie w nim przeprowadzona dopiero w 2019 roku. Ma jednak przed sobą niezwykle ważne zadanie - przekonać świat do nowego źródła energii, pokazując, że jest ono czyste i całkowicie bezpieczne.

Podczas fuzji jąder deuteru i trytu powstaje cząstka alfa - jądro helu, która swoją energię (wyrażaną w megaelektronowoltach) przekazuje do plazmy. Powstaje również szczególnie interesujący nas neutron, którego energia zostaje przekazana na specjalną powłokę litową, otaczającą komorę reakcyjną. Ostatecznie zostaje ona uwolniona w postaci ciepła, które podgrzewa płyn napędzający turbinę. Dopiero ta ostatnia produkuje energię elektryczną.

Sama technologia nie jest dla naukowców większym problemem. Wyzwanie stanowi proces otrzymywania plazmy. Chodzi o to, aby utrzymać ekstremalnie gorące skupisko cząstek w ograniczonej objętości, dopóki znaczna część jąder nie połączy się. Konieczne jest zatem utrzymywanie odpowiedniej energii - ta wydzielana musi przewyższać wytracaną. Aby to umożliwić, plazmę izoluje się od ścian komory przy pomocy pola magnetycznego. Ale wciąż problematyczne jest utrzymywanie stałej temperatury plazmy, bez dostarczania dodatkowej energii z zewnątrz. Dopiero wtedy reakcja będzie opłacalna, czyli jej bilans będzie dodatni. Ta zależność nosi nazwę kryterium Lawsona.

Nasz strach przed reakcjami nuklearnymi jest w pełni uzasadniony. Po tym jak ukraińska katastrofa (Czarnobyl) sprzed 26 lat uległa pewnemu przedawnieniu, o niszczycielskich skutkach manipulowania energią atomową przypomniała awaria elektrowni Fukushima I. Okazało się, że błąd człowieka to jedno, ale seria nieszczęść potencjalnie z nim nie związanych, to zupełnie inna kwestia. Świat momentalnie zareagował. Z powodu obaw o bezpieczeństwo obywateli, niemiecki rząd postanowił zamknąć aż 8 elektrowni atomowych starszego typu.

Trudno w to uwierzyć, ale fuzja termojądrowa jest procesem całkowicie bezpiecznym. Kluczową rolę odgrywa tutaj ilość paliwa potrzebnego do zapoczątkowania obu procesów. W przypadku elektrowni atomowych mamy do czynienia z pokaźną ilością surowca w reaktorze. Ale fuzja zachodzi w obecności niecałego grama paliwa, które stanowi deuter i tryt. I - co szczególnie istotne - całość praktycznie natychmiast ulega spaleniu. W komorze lub reaktorze nie ma zatem niczego, co mogłoby wybuchnąć. Można jednak pomyśleć, że materia o temperaturze przekraczającej 100 mln stopni Celsjusza - czyli takiej, jaka panuje na Słońcu - jest niebezpieczna sama w sobie. W rzeczywistości niewielkie skupisko plazmy jest bardzo lekkie - waży zaledwie 0,001 grama.

Kolejne zabezpieczenie stanowi sama konstrukcja komory. Jej ściany wykonane są z materiału mogącego przyjąć ogromną ilość energii bez ryzyka stopienia. Nie brakuje również licznych systemów, które czuwają nad przebiegiem procesu. Te mogą go w każdej chwili przerwać lub zakłócić, doprowadzając do oddania ciepła do ścian komory. Poza tym, w razie jakichkolwiek problemów elektrownię można wyłączyć - w każdej chwili, na dowolny czas. A to jest niemożliwe w przypadku jej odpowiednika atomowego.

Fuzja góruje nad rozszczepianiem również w kwestii zanieczyszczania środowiska. Obecnie wykorzystywana metoda budzi tutaj mnóstwo kontrowersji i sprzeciwów. W przypadku fuzji taki problem po prostu nie istnieje. Po połączeniu jąder deuteru i trytu powstaje jądro helu i proton. Tryt, który w trakcie procesu nie zostanie w pełni wykorzystany, trafia ponownie do obiegu i spala się w kolejnej reakcji.

Badania prowadzone przez ITER pozwolą oszacować opłacalność technologii, ale dane pojawią się dopiero po serii testów, które rozpoczną się nie wcześniej niż w 2019 roku. Naukowcy szacują, że na konkretne wyliczenia poczekamy jeszcze 16-17 lat. Warto jednak uzbroić się w cierpliwość, bo w pełni opanowane, opisane zjawisko powinno dostarczyć mnóstwo czystej i niekończącej się energii. Surowce do jej produkcji są w końcu izotopami wodoru, a tego pierwiastka mamy na Ziemi pod dostatkiem.

Inżynierowie z ITER studzą jednak wszelki entuzjazm. Od pierwszego reaktora, mogącego zasilać miasta, dzielą nas nie tylko lata badań, ale również inwestycje rzędu 80 mld dol. Przy obecnym poziomie finansowania taki obiekt powstanie za 40 lat. Gdyby w grę nie wchodziły pieniądze, to jego budowa potrwałaby dekadę. Do rozwiązania wciąż pozostaje kilka ważnych zagadnień technicznych, ale te są tylko kwestią czasu.

Kwestią czasu jest zatem przyszłe wykorzystanie energii z atomów wodoru, choć na razie pozostaje to domeną supernowoczesnych laboratoriów. My powinniśmy na nią spojrzeć jako na jedyną alternatywę dla wykorzystywanych obecnie źródeł energii. Paliwa kopalne kiedyś się skończą, a wiatr, woda i baterie słoneczne nie będą w stanie ich zrównoważyć...