Czy to koniec problemów ludzkości z energią?
Informacja o przeprowadzonej pomyślnie reakcji fuzji jądrowej, która po raz pierwszy przyniosła zysk energetyczny spotkała się z bardzo dużym zainteresowaniem na całym świecie. W wyniku reakcji naukowcy uzyskali więcej energii niż użyli do jej wytworzenia.
Departament Energii USA ogłosił komunikat dotyczący tego epokowego wydarzenia. Cały świat, żywo zainteresowany pozyskaniem nieograniczonych zasobów energii z alternatywnych źródeł, aż wstrzymał oddech w oczekiwaniu na dalsze wiadomości.
„Z naukowego punktu widzenia to pierwszy raz, kiedy udowodniono, że jest to możliwe”. Powiedział „New Scientist” Gianluca Sarri, fizyk z Queen’s University Belfast. „W teorii wiedziano, że to powinno się zdarzyć, ale nigdy nie zaobserwowano tego eksperymentalnie w prawdziwym życiu” — dodał.
Według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej synteza jądrowa wytwarza cztery razy więcej energii na kilogram niż rozszczepienie wykorzystywane do zasilania elektrowni jądrowych i prawie 4 mln razy więcej energii niż spalanie ropy czy węgla.
Czym jest fuzja termojądrowa?
Na czym polega i jaką posiada wagę ten eksperyment przeprowadzony w ostatnich dwóch tygodniach przez naukowców z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii? Czy jesteśmy w przededniu rozwiązania problemów z energią? Czy problem czystej energii, który przez wielu uzyskał status nowej „świeckiej religii” został rozwiązany w amerykańskich laboratoriach? Jak to wszystko wpłynie na sytuację geopolityczną naszej planety?
To tylko kilka pytań, które nasuwają się po zapoznaniu się z tą sensacyjną informacją podaną przez Financial Times.
Reakcja lub fuzja termojądrowa to zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe. W wyniku jej przeprowadzenia mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa.
Poszczególne jądra atomowe mają różną energię wiązania przypadającą na nukleon. W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produktów i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczających atomach. Przekształca się na energię cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy. Czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.
Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają. Aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek.
Taka reakcja zachodząc w gwiazdach (m. in. na Słońcu) i jest tam głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem energii.
Aby uzyskać energię z syntezy jądrowej należy podgrzać gaz złożony z dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu, do wysokiej temperatury rzędu 100 mln stopni Celsjusza.
Jednym ze sposobów na osiągnięcie takich warunków jest metoda magnetycznego uwięzienia plazmy. Rozgrzany gaz (plazma) kontrolowany jest za pomocą silnych magnesów. Najbardziej odpowiednim urządzeniem do przeprowadzania tego procesu jest komora magnetyczna w kształcie pierścienia o nazwie tokamak.
Fuzja termojądrowa – zalety
Poszukiwania nowych, czystszych sposobów na zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania na energię, stały się niezwykle intensywne. Przede wszystkim ze względu na obawy przed zmianami klimatu.
Teoretyczne (do tej pory) przewidywania naukowców mówiły, że uzyskanie takiej energii miałoby wiele zalet, do których należą m. in.:
- Brak emisji CO2.
Jedynymi produktami ubocznymi reakcji syntezy jądrowej są niewielkie ilości helu. Jest on gazem obojętnym niewpływającym w żaden sposób na zanieczyszczenie powietrza. - Ogromne zasoby – wystarczające na miliony lat!
Deuter można ekstrahować z wody, a tryt jest wytwarzany z litu, który znajduje się w skorupie ziemskiej. Ilość paliwa wystarczy zatem na wiele milionów lat. - Efektywność energetyczna.
Jeden kilogram paliwa termojądrowego może zapewnić taką samą ilość energii jak 10 milionów kilogramów paliwa kopalnego. - Brak uciążliwych, długotrwałych odpadów promieniotwórczych.
Jedynie komponenty samej elektrowni stają się promieniotwórcze i można je będzie bezpiecznie poddać recyklingowi lub zutylizować w ciągu 100 lat. - Bezpieczeństwo.
Niewielkie ilości paliwa zużywanego podczas syntezy jądrowej (o masie znaczka pocztowego) wykluczają wypadek o charakterze jądrowym na wielką skalę. Nie istnieje też ryzyko zastosowania tej technologii do produkcji broni jądrowej, gdyż w procesie fuzji nie używa się materiałów rozszczepialnych. Radioaktywny tryt nie nadaje się do produkcji broni. Nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie. - Niezawodność.
Elektrownie wykorzystujące zjawisko fuzji jądrowej zapewnią niezawodne dostawy dużych ilości energii elektrycznej, przy szacowanych kosztach podobnych do pozostałych źródeł energii.
Fuzja termojądrowa – wykorzystanie komercyjne nie tak szybko
Ogłoszenie wyników eksperymentu jest niewątpliwie ogromnym krokiem naprzód w dziedzinie energii termojądrowej. Ale do zastosowania tej technologii na skalę komercyjną jeszcze daleko.
„Droga do budowy komercyjnej elektrowni termojądrowej jest jeszcze dość skomplikowana. Najnowszy eksperyment pokazał jednak, że może być wykonalne jej stworzenie właśnie na bazie fuzji inercyjnej, czyli zasilanej laserami. Warto wspomnieć o niedawnym sukcesie eksperymentów prowadzonych w Wielkiej Brytanii, w urządzeniu typu tokamak JET (Joint European Torus). Tam również uzyskano dodatni bilans energetyczny. Ogromne nadzieje wiąże się z europejskim programem EUROfusion i w perspektywie z nowym tokamakiem o nazwie ITER. W Europie dominują badania nad fuzją na urządzenia typu tokamak, czyli magnetyczne utrzymanie plazmy. Nasz Instytut także jest w ten program zaangażowany i koordynuje badania nad syntezą termojądrową w Polsce” – mówi dr Marcin Rosiński, kierownik Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM).
Trudno obecnie określić ramy czasowe, w których mogłoby dojść do uruchomienia pierwszej elektrowni opartej na tej technologii.
Przyczyną są potężne wyzwania technologiczne. Potrzebne są materiały, które wytrzymają ogromne gradienty temperatur, potężne ciśnienia oraz poradzą sobie z silnymi strumieniami neutronów i innych cząstek. Ograniczona jest dostępność trytu, rzadkiego i radioaktywnego izotopu wodoru. Konieczna jest budowa bardziej wydajnych laserów.
To wszystko wymaga ogromnych nakładów finansowych. Żaden kraj europejski, samodzielnie nie mógłby się podjąć tego typu programu. Wiele zależy od polityki. Obecnie, ludzkość nadal ma dostęp do paliw kopalnych i je wykorzystuje do produkcji energii, co ogranicza finansowanie możliwości badań nad fuzją.
Jednak dr Rosiński jest dobrej myśli:
„Przełom z National Ignition Facility pozwala z optymizmem patrzeć na nieodległy horyzont i wierzyć, że energią przyszłości będzie energia z fuzji termojądrowej, nad którą naukowcy dalej pracują”.
Oni w to wierzą
Zainteresowanie tą technologią wykazują prywatni inwestorzy, którzy zazwyczaj „mają nosa” do dobrych interesów. W wizję czystej, niewyczerpywalnej energii pochodzącej z fuzji termojądrowej wierzą m. in. Bill Gates, Jeff Bezos i John Doerr, którzy przeznaczyli duże środki na rozwój firm badającym fuzję.
Według Stowarzyszenia Przemysłu, prywatni przedsiębiorcy w ostatnich latach otrzymali na ten cel kwotę około 5 miliardów dolarów, z czego 2,8 miliarda w ciągu ostatniego roku.
