Koniec gazu, koniec węgla, koniec oze?

ITER ma być instalacją służącą przeprowadzeniu fuzji jądrowej, która ma uwolnić ogromne ilości czystej energii. Uruchomienie reaktora planowano na 2025 rok, jednak już dzisiaj wiadomo, że projekt złapał (liczone nawet w latach) opóźnienie. Co więcej, okazuje się, że to nie tylko techniczne problemy mogą opóźnić start reaktora.

Nie jest odkrywczym stwierdzenie, że cywilizacji potrzebne jest nowe źródło energii. Ta którą znamy i którą obecnie wykorzystujemy pochodzi z paliw kopalnych, energii jądrowej lub odnawialnych źródeł. Są to zasoby ograniczone, ale także niepewne.

Paliwa kopalne z powodu postępujących zmian klimatycznych niedługo nie będą mogły być eksploatowane. Zielona transformacja nie jest już zatem melodią przyszłości, ale klaruje się jako główny kierunek, którym powinno się podążać. Niestety odnawialne źródła (OZE) nie są w stanie zagwarantować stabilnych i bezpiecznych dostaw energii.

Żyjemy jednak w XXI wieku zdominowanym przez postęp technologiczny i postęp ten staramy się wykorzystać do stworzenia nowych, nieznanych rozwiązań - w końcu energię elektryczną też trzeba było kiedyś odkryć. I właśnie takimi innowacjami są reaktory termonuklearne zwane tokamakami.

Powstający na południu Francji ITER obok chińskiego HL-2M i koreańskiego KSTAR jest jednym z trzech najbardziej liczących się na rynku tokamaków graczy. I chociaż do dokładnego zrozumienia działania tego urządzenia potrzebna jest specjalistyczna wiedza, do przybliżenia podstaw jego funkcjonowania i korzyści które może przynieść wydaje się wystarczyć wiedza mniej szczegółowa.

Tokamak to urządzenie służące przeprowadzeniu kontrolowanej reakcji termojądrowej (fuzji jądrowej). W naturze fuzja jądrowa jest źródłem energii słońca i gwiazd (nie bez powodu tokamak nazywany jest „sztucznym słońcem”) fuzja jest również źródłem czystej, taniej i prawie nieograniczonej energii elektrycznej.

Jak powstaje ta energia? Aby doszło do fuzji dwa atomy wodoru muszą zderzyć się ze sobą w bardzo wysokich temperaturach i pod bardzo dużym ciśnieniem. Zderzenie atomów powoduje, że łączą się one ze sobą w jeszcze cięższe atomy i to połączenie uwalnia duże ilości energii.

Synteza atomów (a dokładnie jąder atomów) w przeciwieństwie do innych źródeł nie pozostawia żadnych negatywnych skutków ubocznych tj. odpadów. Dlatego też to właśnie w fuzji jądrowej upatruje się źródła czystej energii, która mogłaby zapewnić następnym pokoleniom bezpieczną przyszłość (w odróżnieniu np. od elektrowni jądrowych, w których po rozszczepieniu atomu powstają radioaktywne odpady).

Fuzja jądrowa wydaje się rozwiązaniem „prostym”, ale cały szkopuł tkwi właśnie w słowie „wydaje”. Osiągnięcie fuzji jądrowej nie jest niestety tak łatwe. Aby czysta energia uległa uwolnieniu atomy muszą się ze sobą zderzyć, a jest to niezwykle trudne biorąc pod uwagę to, że atomy te nie chcą się nawet do siebie zbliżyć (m.in. za sprawą dodatnio naładowanych w jądrze atomu protonów), paradoksalnie więc do wytworzenia czystej energii w pierwszej kolejności potrzebna jest energia, która spowoduje połączenie atomów.

By ją osiągnąć wykorzystuje się dwa izotopy wodoru: deuter i tryt. Aby cząstkom tym nadać potrzebną prędkość, podgrzewa się je do temperatury rzędu 100-150 miliona stopni Celsjusza. W wyniku podgrzania powstaje plazma, utrzymywana w zwartym słupie tokamaku za sprawą silnego pola magnetycznemu.

Hamulce sukcesu

Skoro zatem fuzję jądrową można osiągnąć wykorzystując pierwiastki występujące w środowisku, a na świecie istnieje więcej niż jeden tokamak, dlaczego do tej pory nie udało się pozyskiwać czystej i bezpiecznej energii? Szukając odpowiedzi na to pytanie w pierwszej kolejności warto pochylić się nad tematem temperatury.

Fuzję jądrową na Ziemi można osiągnąć wyłącznie w ekstremalnie wysokich temperaturach (100 – 150 milionów stopni Celsjusza) przewyższających nawet dziesięciokrotnie temperaturę panującą w rdzeniu Słońca. Nie wystarczy tylko samo osiągnięcie temperatury, by wytworzyć energię trzeba tę temperaturę utrzymać.

Jak dotąd chiński reaktor HL-2M zdołał utrzymać minimalną temperaturę przez 10 sekund, koreański tokamak KSTAR przebił te rekord dwukrotnie, utrzymując temperaturę przez 20 sekund. Jednak wciąż jest to za krótki czas do uwolnienia czystej energii. Drugim głównym powodem, który może stać za brakiem sukcesu fuzji jest jądrowej jest paliwo potrzebne do jej osiągnięcia, a więc deuter i tryt.

Deuter jest tym izotopem wodoru, który można łatwo uzyskać z wody morskiej (jak również z pozostałych form wody) dlatego z jego pozyskaniem na Ziemi nie powinno być większego problemu, w przeciwieństwie do trytu, którego światowe zasoby są bardzo ograniczone.

Oczywiście pracujący od ponad dekady nad syntezą jądrową naukowcy zdawali sobie sprawę, że dostępność trytu może być problematyczna, jednak w pierwszej kolejności skupiali się na dążeniu do osiągnięcia progu rentowności energii, spychając na margines problem deficytu tego pierwiastka. Dzisiaj, kiedy osiągnięcie progu rentowności jest już bardzo bliskie problem dostępności trytu powraca, a sami inżynierowi jądrowi przyznają, że trywializowanie tego tematu było błędem.

Dlaczego ITER jest wyjątkowy?

Przede wszystkim ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny) jest projektem, który ma na celu zbudowanie największej na świecie instalacji, wykorzystywanej do przeprowadzania fuzji jądrowej. ITER ma produkować 10 razy więcej energii termojądrowej niż moc cieplna potrzebna do wyprodukowania plazmy.

Projekt powstał na podstawie umowy w sprawie powołania Międzynarodowej Organizacji Energii Termojądrowej na rzecz wspólnej realizacji projektu ITER. Umowę podpisało w 2006 r. siedmioro partnerów: Chiny, Euratom (reprezentowany przez Komisję Europejską), Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA.

Partnerzy wspólnie zarządzają organizacją ITER, która odpowiada za budowę projektu jak również gromadzą na ten cel zasoby finansowe i naukowe. Każdy podmiot posiada krajową agencję zarządzającą swoimi wkładami. W Unii Europejskiej jest to Fusion for Energy (Europejskie Wspólne Przedsięwzięcie na rzecz Realizacji Projektu ITER i Rozwoju Energii Termojądrowej) z siedzibą w Barcelonie.

Co ważne ITER nie będzie produkował energii elektrycznej, jest to eksperyment naukowy, którego zadaniem jest udowodnienie, że osiągnięcie fuzji jądrowej na dużą skalę jest możliwe. ITER ma być krokiem milowym pomiędzy „przejściem od badań naukowych do rzeczywistości”. Szacuje się, że wartość projektu wynosi 22 miliardy euro.

Opóźniony start i polski akcent

Budowę ITER rozpoczęto dekadę temu - w 2013 roku, 28 lipca 2020 roku zainagurowano montaż tokamaka. Zgodnie z założeniami pierwsza plazma miała powstać już za dwa lata – w 2025 roku. Nowy dyrektor ITER Pietro Barabaschi w styczniu 2023 roku przekazał jednak, że projekt będzie opóźniony. Szanse na uruchomienie reaktora za dwa lata, zdaniem Włocha kierującego ITER, były praktycznie niemożliwe do osiągnięcia. Dzisiaj dodatkowo pojawiły się dwa nowe problemy.

Pierwszy dotyczy konieczności zespawania elementów, tak aby uzyskać komorę reaktora. Drugim problemem są wychwycone ślady korozji na osłonie termicznej. Usunięcie tych z pozoru drobnych usterek nie jest jednak mierzone w dniach lub miesiącach, ale może potrwać lata.

Jak przekazał na konferencji prasowej szef ITER do końca 2023 roku mamy poznać nowy termin uruchomienia reaktora. Barabaschi jest optymistą i wierzy, że w roku 2035 reaktor będzie pracował z pełną mocą. Czas pokaże czy za ponad dziesięć lat będziemy mogli korzystać z energii wytworzonej dzięki ITER.

Już dzisiaj jednak wiemy, że w procesie budowy tego super-urządzenia udział biorą również Polacy. Zespół naukowców z Politechniki Łódzkiej uczestniczy w projekcie od 2010 roku i opracowuje podsystemy oprzyrządowania i sterowania IC, których zadaniem jest zapewnienie stabilnego sterowania tokamakiem, „gwarantujące bezpieczeństwo pracy, diagnostykę plazmy oraz pozwalające na przeprowadzanie badań fizycznych”. (Paulina Sudoł, fot. Wikipedia - Autorstwa Oak Ridge National Laboratory - ITER Site, CC BY 2.0)