Rekordowa ilość energii uzyskana w reaktorze termojądrowym. Kiedy powstaną pierwsze elektrownie fuzyjne?

W tym artykule:

1. Na czym polega fuzja termojądrowa?
2. Rekord fuzji w tokamaku
3. Jak wydajna jest fuzja termojądrowa?
4. Inne badania nad fuzją termojądrową
5. Udział Polski w badaniach

Rekord został pobity podczas eksperymentów w JET (Joint European Torus). To reaktor znajdujący się w pobliżu Oksfordu w Wielkiej Brytanii. I zarazem jedna z największych i najpotężniejszych instalacji termojądrowych na świecie.

Na czym polega fuzja termojądrowa?

Energia termojądrowa powstaje wskutek fuzji – łączenia się jąder atomowych lekkich pierwiastków. Taki proces zachodzi w sposób naturalny wewnątrz gwiazd, gdzie atomy ściska ogromne ciśnienie. W warunkach ziemskich można do tego wykorzystać izotopy, czyli cięższe odmiany wodoru: deuter i tryt. Ten pierwszy ma w jądrze proton i neutron. Dość powszechnie występuje w wodzie.

Drugi natomiast jest zbudowany z protonu i dwóch neutronów. Nie występuje naturalnie, ale można go łatwo uzyskać z litu. Wykorzystanie trytu jako paliwa wraz z deuterem daje więcej energii. Zarazem zwiększa też poziom promieniowania w reaktorze.

JET to reaktor typu tokamak – komora w kształcie obwarzanka (albo pączka z dziurką, czyli donuta). W jej wnętrzu pole magnetyczne więzi rozgrzany gaz, czyli plazmę. Musi on osiągać ogromne temperatury, rzędu 100 mln st. C, by rozpoczęły się reakcje termojądrowe. W 2021 r. reaktor JET po raz pierwszy uzyskał energię termojądrową z atomów trytu. Była to próba generalna przed uruchomieniem dużej instalacji zwanej ITER.

JET służył naukowcom przez 40 lat. Ostatecznie zakończył działalność jesienią 2023 r. Wcześniej jednak zdążył pobić rekord.

Rekord fuzji w tokamaku

W końcowych eksperymentach prowadzonych w JET wykorzystano deuter i tryt. Reakcję termojądrową udało się utrzymać przez 5 sekund. W tym czasie został pobity rekord mocy. Wyprodukowano 69 megadżuli energii przy użyciu zaledwie 0,2 miligrama paliwa.

– W trakcie tych badań zademonstrowaliśmy m.in., jak doprowadzić plazmę do stabilnego stanu, zapobiegając uszkodzeniom ściany reaktora. Po raz pierwszy w historii udało nam się przetestować to podczas fuzji deuteru i trytu – podkreśla dr Emmanuel Joffrin, jeden z uczonych zaangażowanych w badania.

W badaniach udział wzięło ponad 300 naukowców i inżynierów z EUROfusion – konsorcjum badaczy z całej Europy. JET przez następne 15 lat będzie rozbierany i utylizowany. Część jego elementów zostanie wykorzystana w innych urządzeniach.

Jak wydajna jest fuzja termojądrowa?

Jeden gram wodoru „spalonego” w reaktorze termojądrowym może dać jej tyle, ile dostarcza 8 ton ropy naftowej lub 11 ton węgla kamiennego. Do zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego całego świata wystarczyłoby rocznie kilkaset kilogramów izotopów wodoru (deuteru i trytu), które można uzyskać z morskiej wody.

Elektrownie termojądrowe będą bezpieczniejsze niż atomowe. Mają też produkować znacznie mniej odpadów radioaktywnych. Jednak zanim to nastąpi, naukowcy muszą dopracować technologię. Chodzi m.in. o to, by reakcja termojądrowa dostarczała więcej energii, niż było trzeba do jej zainicjowania. W przypadku JET zużyto trzy razy więcej energii niż otrzymano, więc nie pojawiła się nadwyżka.

Wyniki eksperymentów w JET zostaną wykorzystane przy tworzeniu ITER. To ogromny reaktor budowany we Francji, finansowany przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Koreę, Rosję i USA kosztem 22 mld dolarów. Pierwsze uruchomienie ITER planowane jest po roku 2025. Po 2035 r. reaktor ma działać na mieszaninie deuteru i trytu. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, będzie to pierwsza instalacja uzyskująca z fuzji termojądrowej nadwyżkę energii.

Kolejne tego typu instalacje to brytyjska prototypowa elektrownia STEP i europejska elektrownia demonstracyjna DEMO. Także i one skorzystają z wyników badań prowadzonych w JET. Reaktory te ruszą po roku 2040. Oznacza to, że do tej pory transformacja energetyczna musi bazować na odnawialnych źródłach energii i elektrowniach atomowych.

Inne badania nad fuzją termojądrową

Tokamaki to nie jedyny sposób na uzyskanie fuzji termojądrowej. Naukowcy pracują też nad alternatywnymi metodami.

• Inny niż tokamak typ reaktora termojądrowego to tzw. stellarator. Jego komora ma skomplikowany, poskręcany kształt, ułatwiający kontrolowanie plazmy za pomocą pola magnetycznego. W Niemczech działa stellarator Wendelstein 7-X. Kosztował znacznie mniej niż ITER, bo zaledwie 2 mld euro.
• Odmienne podejście do fuzji jest testowane w amerykańskim National Ignition Facility (NIF), części Lawrence Livermore National Laboratory. Uczeni ściskają i podgrzewają tam izotopy wodoru za pomocą laserów. W 2022 r. po raz pierwszy reaktor termojądrowy NIF wyprodukował nadwyżkę energii. Późniejsze testy potwierdziły to osiągnięcie.

Naukowcy zaangażowani w projekt JET podkreślają, że te badania wzajemnie się uzupełniają. – Dzięki nim powiększa się nasza wiedza na temat plazmy i reakcji termojądrowych – mówiła na konferencji prasowej dr Athina Kappatou z Instytutu Fizyki Plazmy Maksa Plancka.

Udział Polski w badaniach

Polska aktywnie uczestniczy w badaniach nad fuzją. W konsorcjum EUROfusion znaleźli się uczeni z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM). – Nasza determinacja i międzynarodowa współpraca przyniosły wyjątkowe rezultaty, które stanowią kamień milowy w badaniach nad energią termojądrową. Ten sukces nie tylko potwierdza możliwość kontrolowania plazmy w tokamakach, ale również stanowi kluczowy krok w kierunku realizacji celu, jakim jest produkcja energii na skalę komercyjną z wykorzystaniem reakcji jądrowej. Przed nami jeszcze wiele wyzwań i kolejnych lat badań, ale jestem przekonana, że nasza ciężka praca przyniesie jeszcze więcej innowacyjnych rozwiązań, które będą kształtować światową energetykę – komentuje dr hab. Agata Chomiczewska, prof. IFPiLM, krajowy koordynator badań na tokamaku JET.

Przy ITER pracują naukowcy z IFPiLM oraz Politechniki Wrocławskiej. W Wendelstein 7-X Polska zainwestowała 6,5 mln euro, a także umiejętności badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, Politechniki Warszawskiej i Wrocławskiej, Uniwersytetu Opolskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Źródła: EurekAlert, archiwum NG