ITER: Rewolucja w drodze

O tym, że energia z fuzji jądrowej będzie dostępna za 15-20 lat, słychać od... pół wieku. Dzisiaj, gdy międzynarodowe konsorcjum buduje na południu Francji reaktor ITER, znowu mówi się, że za 15, a może za 20 lat z fuzji popłynie prąd. Tym razem jest szansa, że te przewidywania się sprawdzą. Nieco się przybliżyliśmy. Do czego? Do energii czystej i w nieograniczonych ilościach. Next odwiedził plac budowy

Niewiele jest dużych projektów naukowych, które mają pod górkę tak jak ITER. Gdy kreślono pierwsze plany budowy dużego międzynarodowego reaktora, chciano, by realizacja projektu pokazywała, że Wschód i Zachód potrafią dla dobra nauki i ludzkości współpracować. To było u schyłku zimnej wojny. Przez ponad dwa dziesięciolecia ITER udowadniał, że dogadanie się jest niemożliwe. Realizacja żadnego projektu naukowego - no, może z wyjątkiem Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - nie była tyle razy przekładana, wznawiana, poprawiana i zmieniana. Problemem były pieniądze, ale także miejsce, gdzie ITER miał powstać. W końcu udało się przekonać Japończyków do wybrania terenu Unii Europejskiej. Kosztowało to sporo, ale decyzja polityczna zapadła.

Plac budowy

Dzisiaj w ośrodku jądrowym w Cadarache (południe Francji) teren pod reaktor i całą infrastrukturę jest już wyrównany. Jego powierzchnia jest równa powierzchni 30 boisk piłkarskich. W miejscu, w którym stanie reaktor, pracują dźwigi i gdy byłem tam na przełomie września i października, trwało zbrojenie elementów „antysejsmicznych”. Cadarache leży na obszarze aktywnym sejsmicznie, więc trzeba zabezpieczać wszystkie reaktory na terenie ośrodka (poza ITER jest tu kilka reaktorów „tradycyjnych”, w których zachodzi rozszczepienie jądrowe). W okolicy znajdują się też hale, w których będą montowane największe elementy reaktora, np. ogromne magnesy.

Części przybywają z różnych stron świata, więc koszty są wyższe. Jak przy każdym projekcie tej rangi, decydującą (albo przynajmniej znaczącą) rolę przy jego realizacji mają politycy. I dlatego reaktor budowany jest na raty, w wielu miejscach na całym świecie. Gdy mam włączony dyktafon, wszyscy w Cadarache mówią: Dzielimy się technologią z partnerami. Gdy przestaję nagrywać, słyszę: To bez sensu, bo wychodzi dużo drożej, a poza tym marnujemy cenny czas. Gdy zapytałem o sprawę nie naukowca, ale menedżera, odpowiedział: Dla mnie to oczywiste. Skoro ktoś daje pieniądze, chce na tym zarobić. Wszyscy chcą, dlatego żaden kraj nie będzie swoich funduszy w ITER wydawał poza swoimi granicami.

Reaktor będzie ogromny. Jego masa ma być trzykrotnie większa od masy wieży Eiffla. Koszty tego przedsięwzięcia, początkowo wyceniane na osiem miliardów euro, wzrosły szybko do 10 mld euro. A później jeszcze do 12 mld. Kilka tygodni temu, dokładnie w dniu świętego Mikołaja, parlament francuski dorzucił kolejne 1,3 mld euro. Czy to dużo? Biorąc pod uwagę fakt, że na tę kwotę zrzuca się (w różnym stopniu) kilkanaście państw, że jeżeli projekt się powiedzie, zostanie stworzone zupełnie nowe źródło czystej i nieograniczonej energii, jest to chyba niedużo...

Czysta, czyli jaka?

Czysta energia kojarzy się z wiatrakami. Nic bardziej błędnego. Wiatraki są jednym z najmniej ekologicznych sposobów produkcji energii elektrycznej. Nie miejsce jednak na to, żeby rozwijać ten wątek. Czy w ogóle jest możliwa produkcja czystej energii? Czystej, czyli takiej, której wytwarzanie nie jest szkodliwe dla środowiska. Wszystko, co robimy, na środowisku naturalnym odciska piętno. Są jednak rozwiązania bardziej i mniej szkodliwe. Są takie, w których przypadku o szkodliwości w ogóle trudno mówić. Wpływ jest, ale szkodliwość - niekoniecznie.

W największym skrócie można powiedzieć, że fuzja jądrowa polega na łączeniu lekkich jąder atomowych w cięższe, np. dwóch wodorów w hel. Ten proces generuje ogromne ilości energii. Nie wierzycie? Spójrzcie na Słońce. Albo lepiej nie patrzcie. W ten sposób łatwo stracić wzrok.

Słońce i wszystkie gwiazdy we Wszechświecie są wielkimi reaktorami fuzji jądrowej. W ciągu ich całego, trwającego miliardy lat życia nie dzieje się w nich nic z wyjątkiem łączenia lżejszych jąder atomowych w cięższe. Gdy zabraknie wodorów, łączą się hele. Produkowane są kolejne, coraz cięższe izotopy węgla, azotu, tlenu, aż do żelaza włącznie. Żelazo jest najcięższym pierwiastkiem, który może powstać we wnętrzu gwiazdy. Pierwiastki jeszcze cięższe powstają w wyniku wybuchu gwiazdy supernowej.

Co lżejsze, a co cięższe?

Dlaczego łączenie lekkich jąder atomowych w jądro nieco cięższe w ogóle daje energię? Bo dwa lekkie jądra atomowe ważą więcej niż jedno jądro cięższe (powstałe z tych dwóch). Różnica pomiędzy tymi masami przed reakcją (większa) i po reakcji (mniejsza) zostaje uwolniona jako energia.

Choć reaktory kojarzą się z reakcją rozszczepienia (czyli tą, która daje energię działającym na całym świecie elektrowniom atomowym), formalnie rzecz biorąc, reaktor to pojemnik, w którym zachodzi jakaś reakcja - np. reakcja fuzji jądrowej. Reaktory fuzji jądrowej to tzw. tokamaki.

Do połączenia dwóch lekkich jąder atomowych potrafimy doprowadzić także na Ziemi, w laboratoriach fizycznych. Obliczenia są bardzo obiecujące. Do zaspokojenia potrzeb energetycznych jednego mieszkańca miasta w ciągu całego jego życia wystarczy zaledwie kilkanaście gramów izotopów wodoru. W przeciwieństwie do rozszczepiania ciężkich jąder proces ten nie pozostawia po sobie promieniotwórczych odpadów, a ilość paliwa (czyli izotopów wodoru) jest praktycznie nieograniczona. Kilka litrów wody morskiej - to z niej będą „wyławiane” izotopy wodoru - daje mniej więcej tyle energii co dwie tony węgla. Podsumowując - istnieje niezawodne, czyste i nieograniczone źródło energii. Skoro tak, to dlaczego jeszcze z niego nie korzystamy? Z powodu ekstremalnych warunków, jakie trzeba stworzyć, by naładowane dodatnio jądra atomowe zechciały się do siebie zbliżyć. Dwa plusy się odpychają. Im bliżej siebie się znajdują, tym trudniej je zbliżyć. Analogicznie do jednoimiennych biegunów dwóch magnesów.

Jak w środku gwiazdy

W gwiazdach, czyli tam, gdzie działają największe, naturalne reaktory fuzji, temperatura może przekraczać 15 mln stopni, a ciśnienie może wynosić nawet sto tysięcy atmosfer. W reaktorach znajdujących się w ziemskich laboratoriach tak wysokiego ciśnienia nie da się uzyskać, ale można to nadrobić wyższą niż we wnętrzach gwiazd temperaturą. W tokamakach temperatura może osiągać zawrotną wartość kilkuset milionów stopni. Jak się tworzy takie piekło? To dosyć skomplikowane. Wszystko dzieje się w potężnym polu elektrycznym. To tam, w gazie wypełniającym specjalnie zaprojektowaną komorę dochodzi do wyładowań elektrycznych. Te błyskawice ciągle ogrzewają wnętrze reaktora - a w zasadzie warkocz plazmy, w której wszystko się dzieje. Wszystko, czyli reakcje fuzji. Dodatkowo gaz można podgrzewać mikrofalami. To oczywiście wymaga ogromnych ilości energii, ale gdy temperatura wzrośnie do odpowiedniego poziomu, poruszające się chaotycznie we wszystkich kierunkach jądra wodoru przy każdej kolizji będą tworzyły jądro innego pierwiastka - helu. Przy okazji uwalnia się dużo energii, która podtrzymuje albo nawet podnosi i tak już ekstremalnie wysoką temperaturę wnętrza reaktora. Proste? W zasadzie tak, ale czy człowiek jest w stanie ten proces kontrolować? Niekontrolowana fuzja jądrowa wychodzi nam rewelacyjnie. Zarówno Związek Radziecki, jak i USA (a także Wielka Brytania) miały w swoim arsenale jądrowym tzw. bomby wodorowe. Ich niszczycielska moc pochodziła właśnie z niekontrolowanej reakcji fuzji jądrowej. Największy tego typu ładunek zdetonowali w 1961 roku Rosjanie. Siła wybuchu - przekraczająca cztery tysiące razy siłę bomby zrzuconej na Hiroszimę - spowodowała wyparowanie jednej z wysp na poligonie morskim na Nowej Ziemi.

Fuzję można kontrolować w skali mikro. Fizycy, postępując bardzo precyzyjnie, są w stanie zderzyć dwa jądra atomowe. Jeżeli energia zderzenia (prędkość tychże jąder) będzie wystarczająco duża, połączą się one, tworząc inne - większe - jądro. Kłopot w tym, że metoda „w pojedynkę”, choć doskonale kontrolowana, nie może być wydajna w kontekście produkcji prądu. Więcej energii zużyje się, rozpędzając dwa jądra atomowe, niż się uzyska po ich zderzeniu. Chodzi o to, żeby możliwie jak najwięcej reakcji fuzji zachodziło równocześnie i żeby działo się to masowo. Dopiero wtedy przedsięwzięcie będzie się opłacało.

Jak w reaktorze

W badawczych tokamakach (w różnych ośrodkach naukowych na całym świecie jest ich przynajmniej kilkadziesiąt) na niewielką skalę utrzymuje się kontrolowaną reakcję fuzji jądrowej. Dotychczas udawało się to jednak przez zaledwie kilka chwil. Problemem jest wytrzymałość reaktora, a konkretnie jego ścianek wewnętrznych, na tak wysokie temperatury. Najdłużej, bo przez kilkadziesiąt minut, utrzymano i kontrolowano fuzję jądrową w tokamaku JET w Culham w Oxfordshire (Wielka Brytania). Żaden materiał nie jest w stanie wytrzymać temperatury kilkudziesięciu czy kilkuset milionów stopni. Po to, by gorąca plazma nie dotykała ścianek, „odsuwa” się ją silnym polem magnetycznym.

Kontrolowanie reakcji to nie jedyny - obok skomplikowanego sposobu jej inicjowania - problem. Kolejnym jest, jak wytworzoną energię „odebrać” z wnętrza reaktora. W skrócie: jak przerobić ją na prąd. Dotychczas nikomu się to nie udało, ale ma się to zmienić - w budowanym we Francji reaktorze ITER. Ma być pierwszym urządzeniem, które więcej energii daje, niż zużywa do funkcjonowania. To wersja superoptymistyczna. Wersja realistyczna jest taka, że da podobną ilość energii do tej, którą trzeba będzie do niego włożyć, żeby go „rozhulać”. Niezależnie jednak ile w ITER-ze powstanie energii, będzie on pierwszym reaktorem na tyle dużym, by umożliwić poważne myślenie o produkcji energii elektrycznej. Przez analogię - nie sposób konstruując rowerowe dynamo, a nawet kilka dynam, snuć planów o zasilaniu całego miasta w energię elektryczną. Najpierw trzeba spróbować wybudować pierwszą elektrownię w skali 1:1. Jeżeli chodzi o fuzję jądrową, elektrownia w takiej skali właśnie powstaje. I nawet jeżeli będzie trzeba sporo poprawić i ulepszyć; nawet jeżeli nie da tyle energii, ile planowano, tego kroku nie da się pominąć.

Kiedy się dowiemy, czy i jak ITER działa? Koniec budowy reaktora jest zaplanowany na 2018 rok - o ile po drodze nic się nie wydarzy. Warto pamiętać nie tylko o tym, że politycy kolejny raz mogą odsunąć finansowanie przedsięwzięcia. ITER jest projektem prototypowym. Wiele szczegółów jego konstrukcji jest rozwiązywanych na bieżąco. A to zabiera czas. Nie da się wszystkiego przewidzieć. Pierwsze próby uruchomienia reaktora odbędą się rok po jego ukończeniu, czyli w 2019 roku. Na to, by reaktor pracował z pełną mocą, potrzeba kolejnych kilku lat. Czy ITER zadziała? Odpowiedź będziemy znali najwcześniej około 2030 roku.

 

Tomasz Rożek jest doktorem fizyki i publicystą naukowym. Kieruje działem Nauka i gospodarka w tygodniku „Gość Niedzielny”. Jest założycielem stowarzyszenia Śląska Kawiarnia Naukowa i autorem książki „Nauka po prostu. Wywiady z wybitnymi” - uznanej za najlepszą książkę popularnonaukową sezonu 2010-2011.

Więcej o: