Ujarzmić energię gwiazd - reaktor termojądrowy przyszłością energetyki?

Projekt rozpoczęty w 2001 roku potrzebował około miliona godzin pracy tysięcy ludzi, a jego koszt całościowy szacuje się na około miliard euro. W 2014 naukowcy w Greifswaldzie rozpoczęli testy poszczególnych komponentów. Po roku testów, w połowie grudnia  zeszłego roku, W7-X został uruchomiony. Jego zadaniem jest stworzyć warunki idealne do wytwarzania energii przy pomocy reakcji syntezy termojądrowej. W przeciwieństwie do reakcji chemicznych — w reakcjach termojądrowych łączą się jądra atomowe, tworząc nowe pierwiastki. Uzyskujemy z nich energię dzięki jednemu z najbardziej znanych równań fizycznych: E = mc2.

Energia jest równa masie (m) przemnożonej przez prędkość światła do kwadratu (c2). Reakcje termojądrowe zasilają gwiazdy, w tym i nasze Słońce. Wewnątrz gwiazd panują niewyobrażalne dla nas warunki. Cząsteczki ściśnięte grawitacją do ogromnych gęstości i rozgrzane do wielomilionowych temperatur zderzają się ze sobą, dzięki czemu wchodzą w reakcje termojądrowe.  Tworzy się równowaga, która sprawia, że gwiazdy świecą przez miliardy lat. Synteza wodoru w hel sprawia iż z każdego 1000 gramów produktu powstają 973 gramy substratów. Pozostałe 27 gramów przekształconych, zgodnie z równaniem Einsteina, w energię sprawia, że Słońce w każdej sekundzie wytwarza ilość energii równoważną eksplozji bilionów bomb atomowych.

Aby uzyskać wydajne źródło energii w warunkach ziemskich, musimy rozgrzać gaz do temperatury 100 milionów stopni; powstaje wtedy, podobnie jak to się dzieje w gwiazdach, czwarty stan skupienia materii — plazma. Jednak temperatura w centrum reaktora jest kilkakrotnie wyższa od tych panujących w gwiazdach. W takich warunkach izotopy wodoru, tj. deuter i tryt, zderzają się ze sobą i wytwarzają energię w niesamowicie efektywny sposób:  250 kg paliwa termojądrowego odpowiada 3 milionom ton węgla  — bez hałd, odpadów radioaktywnych i emisji gazów cieplarnianych.  Na dodatek paliwo to jest powszechnie dostępne: deuter występuje w olbrzymich ilościach w wodzie oceanicznej, a tryt możemy uzyskać z litu, typowego składnika skał. Dwie butelki wody i trzy niewielkie kamienie zawierają wystarczającą ilość deuteru i litu, która pozwoliłaby zasilać jedno domostwo przez cały rok.  Energia, w postaci energii kinetycznej unoszona jest przez neutrony. które w przyszłych elektrowniach będą bombardowały płaszcz umieszczony na zewnątrz komory. Płaszcz odbierając energię, będzie wytwarzał parę wodną, która napędzi turbiny, tak jak to się dzieje w klasycznych elektrowniach. 

By utrzymać plazmę w komorze reaktora, potrzeba potężnych magnesów wytwarzających pola magnetyczne tysiące razy potężniejsze od ziemskiego. Magnesy wykonane z nadprzewodników muszą być umieszczone w ciekłym helu, w temperaturze absolutnego zera. Jak przejść na odcinku dwóch metrów od temperatury 100 milionów stopni Celsjusza w centrum wyładowania do prawie absolutnego zera? To tylko jedno z wielu wyzwań, które musiano rozwiązać podczas budowy stellaratora w Greifswaldzie. Pracowało przy nim wiele instytucji naukowych, ale także większe i mniejsze zakłady przemysłowe, np. Thales czy też Siemens. Obok Stanów Zjednoczonych, jednym z największych partnerów projektu jest Polska (m.in. Instytut Badań Jądrowych z Krakowa i Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrofuzji z Warszawy), dzięki czemu naukowcy z Polski mają priorytetowy dostęp do infrastruktury w Greifswaldzie. 

Pierwsze wyładowanie w stellaratorze Wendelstein 7-X trwało raptem ułamek sekund, ale już za kilka lat wyładowania trwające 30 minut z temperaturami w centrum sięgającymi 100 milionów stopni pozwolą nam zdobywać wiedzę, dzięki której być może będziemy budować i wykorzystywać elektrownie termojądrowe. Jeśli cały projekt się powiedzie, dzisiejsze problemy z dostępnością energii będą egzotyką z przeszłości. To oczywiście nie jest pierwszy eksperyment, na którym prowadzi się badania nad syntezą termojądrową. Bardzo rozwinięta jest linia tokamaków, gdzie pole magnetyczne i wyładowania wytwarza się w sposób impulsowy. Dzięki swojej prostej geometrii, tokamaki nie wymagały mocy obliczeniowej superkomputerów i są dzisiaj bardziej zaawansowane. Na południu Francji powstaje ITER, pierwszy tokamak, który będzie miał pozytywny bilans energetyczny (wytworzy więcej niż potrzebuje).  Bolączką tokamaków jest jednak fakt, że muszą pracować impulsowo - wyładowania trwają obecnie do kilkudziesięciu sekund. Stellarator w Greisfwaldzie ma za zadanie pokazać, iż da się utrzymać wyładowanie w sposób ciągły i zapewnić optymalne warunki dla syntezy termojądrowej.

Marcin Jakubowski

Zobacz także: Małe reaktory jądrowe w Polsce możliwe dopiero w latach 50.