Obecnie świat jest w okresie wielkich zmian w dziedzinie pozyskiwania energii. Postępujące w alarmującym tempie globalne ocieplenie wymusza ograniczenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Następuje zmniejszenie stosowania paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii. Niestety, ich niska sprawność, niesterowalność i problemy związane z przestarzałym systemem energetycznym powodują, że nie są one w stanie całkowicie zastąpić konwencjonalnych źródeł energii. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie energii powstającej w wyniku zachodzenia zjawiska syntezy (fuzji) jądrowej.
Energia powstająca w tym procesie, zwanym także reakcją termojądrową, jest znacznie większa w przeliczeniu na jednostkę masy paliwa niż energia rozszczepienia jąder atomowych. Ta z kolei jest ponad milion razy większa niż ta pochodząca ze spalenia takiej samej masy węgla. Fuzja jądrowa nie jest źródłem emisji gazów cieplarnianych ani odpadów radioaktywnych o długim czasie rozpadu, które są produktem reakcji rozszczepienia. Nie ma możliwości wystąpienia niekontrolowanej reakcji termojądrowej, ponieważ ilość paliwa znajdującego się w komorze reaktora wystarcza do podtrzymania reakcji przez co najwyżej minutę. Jednak przed naukowcami wciąż stoi szereg wyzwań, z którymi muszą się zmierzyć przed zastosowaniem fuzji jądrowej do komercyjnej produkcji energii.
Zjawisko syntezy jądrowej
Synteza jądrowa polega na łączeniu się dwóch lżejszych jąder atomowych w jedno cięższe. Dla lekkich pierwiastków jest to proces egzotermiczny. W jego wyniku powstaje energia kinetyczna i promieniowania gamma, która następnie rozprasza się na otaczających atomach i przekształca w energię cieplną. Produktami reakcji termojądrowej mogą być też inne cząstki, takie jak protony, neutrony, cząstki alfa i cząstki elementarne.
Aby jądra atomowe mogły zbliżyć się do siebie na odległość umożliwiającą fuzję, muszą one pokonać silne odpychanie elektrostatyczne. W tym celu niezbędne jest nadanie im ogromnej prędkości. Im będzie ona większa, tym większe prawdopodobieństwo zajścia reakcji. Można uzyskać ją poprzez przyspieszanie cząstek w akceleratorach lub ogrzewanie ich do bardzo wysokiej temperatury. We wnętrzach gwiazd reakcja termojądrowa występuje już w temperaturze kilkunastu milionów stopni Celsjusza. Umożliwia ją panujące bardzo wysokie ciśnienie, którego źródłem jest grawitacja. Dzięki temu dokonuje się w nich synteza helu z atomów wodoru, a następnie cięższych pierwiastków.
Fuzja jądrowa w ziemskich warunkach
Najbardziej efektywną reakcją syntezy jądrowej w warunkach laboratoryjnych jest łączenie się deuteru i trytu, czyli izotopów wodoru posiadających odpowiednio jeden i dwa neutrony w jądrze. Substraty te występują w formie plazmy, czyli zjonizowanej materii. Produktami reakcji są jądro helu oraz neutron. Zysk energetyczny z fuzji deuteru i trytu jest duży, natomiast jej zajście wymaga stosunkowo „niskiej” temperatury. Musi ona jednak wielokrotnie przekraczać temperaturę wnętrza Słońca, ponieważ w ziemskich warunkach nie jest możliwe uzyskanie tak wysokiego ciśnienia.
Jednym z głównych problemów związanych z fuzją jądrową jest utrzymanie gorącej plazmy w odpowiednim miejscu. Nie istnieją materiały, które nie uległyby stopieniu przy bezpośrednim kontakcie z materią o tak wysokiej temperaturze (zwykle 150-300 mln °C). Dlatego plazmę umieszcza się w próżni, a do powstrzymywania jej przed rozszerzaniem się stosuje się m. in. oddziaływanie magnetyczne, elektrostatyczne lub inercję.
Tokamak
Do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej może posłużyć tokamak (ros. тороидальная камера с магнитными катушками, toroidalnaja kamiera s magnitnymi katuszkami – toroidalna komora z cewką magnetyczną). Umożliwia on podgrzewanie zjonizowanego gazu przez przepływający przez niego prąd elektryczny indukowany przez zmienne pole magnetyczne. Do innych sposobów uzyskania temperatury, w której zachodzi reakcja termojądrowa, należy m. in. nagłe zmniejszenie objętości plazmy i ogrzewanie dielektryczne. Oddziaływanie magnetyczne odpowiada za utrzymanie plazmy pośrodku komory tokamaka. W działającym tokamaku część wytwarzanej energii będzie służyła do utrzymywania paliwa w odpowiednio wysokiej temperaturze. W nowo uruchamianym urządzeniu i w obecnie istniejących eksperymentalnych tokamakach niezbędne jest dostarczanie energii z zewnątrz.
Zaawansowane projekty
Tokamak ITER
Powstający w południowej Francji tokamak ITER ma stać się pierwszym tokamakiem wytwarzającym energię netto, czyli w ilości większej niż dostarczona, oraz będącym w stanie utrzymać fuzję przez długi czas. Ma on zademonstrować, że możliwa jest produkcja energii z reakcji termojądrowej na skalę komercyjną. Tokamak został zaprojektowany tak, aby przy dostarczeniu 50 MW mocy można było z niego uzyskać 500 MW. Będzie on największym tokamakiem na świecie, wykorzystującym najsilniejszy elektromagnes. Pierwsza plazma ma powstać w reaktorze w 2025 r., natomiast rozpoczęcie regularnej działalności planowane jest na rok 2035.
Cena pozyskiwania energii z reakcji syntezy jądrowej jest jednak bardzo wysoka. Początkowo planowano, że koszt projektu ITER wyniesie ok. 5 mld dolarów, natomiast obecnie jego kierownictwo mówi o ok. 22 miliardach. Tymczasem Departament Energii USA oszacował całkowity koszt na aż 65 mld.
Tokamak EAST
Na początku stycznia tego roku naukowcom z Chińskiej Akademii Nauk udało się utrzymać plazmę w tokamaku EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) w temperaturze 70 mln stopni Celsjusza przez rekordowe 17 minut i 36 sekund. Reaktor służy obecnie do testowania technologii dla ITER-a. Nowy rekord daje nadzieję, że czas trwania reakcji termojądrowej w tokamaku kiedyś będzie liczony w godzinach.
Tokamak ST40
Brytyjska firma Tokamak Energy również jest na dobrej drodze do wytwarzania energii na komercyjną skalę. Dzięki innowacyjnej technologii magnesów nadprzewodnikowych, ciągle rozwijanej i udoskonalanej, jest ona w stanie znacznie ograniczyć obciążenie cieplne przepływem prądu, co ma obniżyć koszty chłodzenia jej tokamaka ST40.
Projekt National Ignition Facility
W reaktorze NIF fuzji jądrowej dokonano dzięki mocy wiązek laserowych powodujących implozję kapsułki z paliwem. Jest to obiecująca alternatywa dla uzyskiwania ciepła na skutek przepływu prądu przez plazmę.
Czy fuzja jądrowa to źródło energii przyszłości?
Na obecnym etapie rozwoju technologii fuzji jądrowej nie jest możliwe wykorzystanie jej do produkcji energii, ponieważ jej wywołanie pochłania więcej energii niż można z niej uzyskać. Dodatkowym problemem jest utrzymanie reakcji przez długi czas (aby zaspokoić zapotrzebowanie energetyczne w peakach, potrzebne jest, by trwała ona przez ok. 8 godzin). Koszty budowy tokamaków są również bardzo wysokie, co stawia pod znakiem zapytania opłacalność ich budowy.
Przedstawione powyżej przeszkody nie są jednak absolutne. Dynamicznie postępujący rozwój technologii w połączeniu z rosnącym światowym zapotrzebowaniem na czystą energię może sprawić, że wykorzystywanie syntezy jądrowej okaże się nie tylko możliwe, ale także opłacalne. Niektóre z opisanych firm deklarują, że prąd pochodzący z fuzji jądrowej trafi do sieci już w następnej dekadzie.