Optymistycznie zakłada się, że do roku 2050 powstaną reaktory termojądrowe, które umożliwią korzystanie z wytwarzanej przez nie energii. Jest to bardzo ambitny plan biorąc pod uwagę wyzwania jakie są jeszcze do pokonania, tj.: uzyskanie wysokiej temperatury koniecznej do przeprowadzenia fuzji, czy długotrwałe utrzymanie plazmy, aby pozyskać z niej energię użytkową. Nie ma jednak wątpliwości, że chociaż istniejące rozwiązania energetyki atomowej wciąż będą wykorzystywane, modernizowane i wdrażane, to energetyka fuzyjna już nam się pokazuje na horyzoncie – stwierdza Krzysztof Rzymkowski, ekspert MAEA, wiceprzewodniczący Komitetu Energii Jądrowej SEP.
Marek Meissner (MM): Na czym może polegać rozwiązanie opracowane przez naukowców z Lawrence Livermore National Laboratory, które spowodowało, że udało się stosunkowo tanim kosztem stworzyć i utrzymać gorącą fuzję z otrzymaniem energii netto?
Krzysztof Rzymkowski (KR): Obecne osiągnięcia są szukaniem drogi do opanowania syntezy jądrowej. To drobne, ale znaczące kroki. Koszty tych poszukiwań są ogromne ponieważ wymagają gigantycznej aparatury. Elektrownia termojądrowa musi wyprodukować energię na swoje potrzeby, tzn. na podtrzymanie reakcji syntezy i jednocześnie produkować energię użytkową na potrzeby zewnętrzne. O tym się nie mówi traktując ją jak zwykłą elektrownię jądrową. Tymczasem uruchomienie i utrzymanie w ruchu takiego urządzenia, czy raczej ich zespołu, wymaga rozwiązania ogromnej ilości problemów technologicznych nawet nam jeszcze dzisiaj nieznanych.
MM: Czy rozwiązanie amerykańskie przedstawione jako „wielki przełom naukowy” i „kamień milowy” przez sekretarz ds. Energii Jennifer Granholm jest na tyle odmienne od do tej pory projektowanych, że od razu było stworzone z myślą o wdrożeniu w rozwiązaniu do otrzymywania energii – mówiąc prościej – w reaktorze fuzyjnym?
KR: Można powiedzieć, że to, co się obecnie dzieje na naszych oczach, ma bardzo długą historię. W roku 1920 w artykule „The Internal Constitution of the Stars” Artur Stanley Eddington przedstawił tezę o mechanizmie procesów syntezy jądrowej w gwiazdach. To wydarzenie uważane jest za początek rozpoczęcia prac nad możliwością powstawania syntezy jądrowej w warunkach ziemskich. Potwierdzeniem tych przypuszczeń były obserwacje w 1929 r. przeprowadzone przez H.N. Russela, prowadzące do wniosku, że znajdujący się w Słońcu wodór musi uczestniczyć w tych reakcjach. Pierwszą reakcję syntezy zaobserwowali w roku 1934 Ernest Rutherford oraz fizyk australijski M.L.E. Oliphant. W reakcji tej następowała synteza jąder deuteru i otrzymywało się tryt: 2 H + 2 H → 3 H + 1 H. To pomogło z kolei H. Bethe, który przedstawił w 1938 r. mechanizm reakcji zachodzących w Słońcu. W skrócie wygląda to tak: reakcji syntezy towarzyszy emisja energii. Przy bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniu towarzyszących tej reakcji materia znajduje się w stanie całkowitego zjonizowania zwanego plazmą i jest utrzymywana siłami grawitacyjnymi.
MM: Jak do tej pory badania nad syntezą termojądrową najszybciej postępowały w sektorze militarnym i tam dokonały się największe postępy w tej dziedzinie…
KR: W dużym stopniu jest to prawda, bo pierwszą reakcję syntezy jądrowej w warunkach ziemskich uzyskano 1 listopada 1952 r. w wyniku wybuchu pierwszej bomby termojądrowej, nazywanej „bombą wodorową” (bomba H), której teoretyczne podstawy zostały przygotowane przez Edwarda Tellera oraz matematyka Stanisława Ulama. Dziesięć miesięcy później w ZSRR również dokonano doświadczalnej eksplozji termojądrowej wykorzystującej w reakcji syntezy lit. Tyle, że w czasie wybuchów „bomb wodorowych” wyzwalają się ogromne ilości energii nakierowane na niszczenie wybranych celów, ale dzieje się to w niekontrolowany sposób. Jedynie opanowanie kontrolowanych reakcji termojądrowych może dostarczyć ludzkości energii na miliardy lat.
MM: Jak mógłby i powinien zostać skonstruowany Pańskim zdaniem reaktor fuzyjny?
KR: Od lat pięćdziesiątych XX wieku są prowadzone intensywne badania w tym kierunku. Warunkiem wywołania syntezy jądrowej jest wytworzenie gorącej plazmy o temperaturze rzędu 100 mln stopni Celsjusza. Najłatwiej można zrealizować reakcje syntezy Deuter-Tryt oraz Deuter-Deuter, których wydajność wraz ze wzrostem energii cząstek szybko rośnie. Dla uzyskania znaczących ilości energii z omawianych reakcji trzeba najpierw wytworzyć odpowiednio gorącą plazmę deuterową lub deuterowo-trytową o temperaturze zależnej od składu materiałów syntezy. Np. temperatura zapłonu, czyli początek reakcji syntezy w mieszaninie zawierającej po 50% deuteru (D) i trytu (T), wynosi 350 mln stopni Celsjusza. Są różne sposoby osiągnięcia takich warunków.
Po uzyskaniu wysokiej temperatury i ciśnienia pozwalających na powstanie plazmy głównym problemem jest utrzymanie tych warunków, aby możliwe było pozyskiwanie wyzwalanej energii w sposób ciągły. Ze względu na bardzo wysokie temperatury plazma musi być utrzymywana w warunkach wykluczających kontakt z jakąkolwiek obudową, bo ta po prostu by wyparowała w ułamku sekundy. Wymyślono więc dwie metody utrzymania plazmy wysokotemperaturowej: inercyjną i magnetyczną, prowadzone są również badania nad tzw. metodą polywell łączącą cechy obu wymienionych metod.
Metoda inercyjna, czyli inercyjne uwięzienie plazmy po angielsku ICF – Inertial Confinement Fusion lub IEC – Inertial electrostatic confinement, polega na wywoływaniu reakcji syntezy przy użyciu niewielkiej ilości materiału w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Kapsułka zawierająca materiał termonuklearny jest ściskana przez skoncentrowane na niej symetrycznie silne impulsy laserowe lub ciężkich jonów uzyskiwanych w akceleratorach, prowadząc do wywołania krótkotrwałej reakcji syntezy. Pierwsze urządzenie tego typu zwane SHIVA powstało w Stanach Zjednoczonych w 1978 r. w Lawrence Livermore National Laboratory. Od roku 2009 prowadzone są badania przy użyciu największego obecnie urządzenia NOVA, w którym wykorzystywane jest uwięzienie inercyjne opracowane w National Ignition Facilty. W roku 2012 prace projektowe skoncentrowano początkowo na osiągnięciu kontrolowanej reakcji syntezy, ale mimo wielkich nakładów finansowych cel był trudniejszy niż się spodziewano. W 2014 r. naukowcy z Livermore w końcu ogłosili pewien sukces, ale wyprodukowana energia była znikoma. Zmieniono konfigurację systemu i przyspieszono jego działanie.
Ostatecznie 5 grudnia 2022 r. o godz. 1.03 w nocy udało się w kontrolowanych warunkach uzyskać dodatni bilans energetyczny w kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej. Kapsuła zawierająca mieszaninę Deuteru i Trytu o wielkości zbliżonej do ziarnka grochu była bombardowana wiązką 192 promieni laserowych, przyspieszanych w akceleratorach. Ich energię konwertuje się w silne impulsy promieniowania rentgenowskiego, które powodują implozję paliwa, inicjując reakcje syntezy termojądrowej. Do kapsułki dostarczono 2,05 MJ energii, co wyzwoliło z paliwa 3,15 MJ. Czas nie przekraczał 9-10 nanosekund. Należy to traktować jako doskonały wynik doświadczalny i jako jedną z drobnych cegiełek na drodze do budowy przemysłowej elektrowni termojądrowej. Widoczne opóźnienie w realizacji celu jest powiązane z innymi zadaniami jakie miało Lawrence Livermore, takimi jak badania procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd, czy badania o charakterze militarnym związanymi z syntezą jądrową.
Jest jeszcze metoda magnetyczna, czyli magnetyczne uwięzienie plazmy (po angielsku magnetic confinement). Polega ona na wykorzystaniu elektrycznych właściwości plazmy będącej chmurą zjonizowanychładunków elektrycznych, które poruszając się równolegle do linii pola magnetycznego mogą zostać uwięzione w tym polu jeśli są to linie zamknięte. W latach pięćdziesiątych XX wieku przedstawiono dwa rozwiązania. Pierwsze to Tokamak – Toroidalna Komora z Cewką Magnetyczną, czyli po rosyjsku Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami – która to nazwa używana jest na świecie do dzisiaj. To rozwiązanie opracował zespół A. Sacharowa i I. Tamma w ZSRR w 1950 r., a uruchomiono je w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie w 1956 r. Komora w kształcie torusa wypełniona jest zjonizowanym gazem, czyli np. mieszaniną deuteru i trytu. Prąd elektryczny indukowany w gazie przez pole magnetyczne powoduje wyładowania zwiększając stopień jonizacji i podwyższając temperaturę prowadzi do powstania plazmy.
Amerykanie z kolei postawili na stellarator – urządzenie opracowane przez amerykańskiego fizyka i astrofizyka Lymana Spitzera w 1950 r. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa „stella” – gwiazda. Plazma powstaje w komorze przypominającą „kilkukrotnie skręconą wstęgę Möbiusa”. Wokół komory z wolframu umieszczonych jest 70 cewek schładzanych ciekłym helem do temperatury bliskiej zera bezwzględnego. Cewki wytwarzające pole magnetyczne mają różny kształt dostosowany do komory. Zaletą stellaratorów jest to, że plazma stabilizuje się sama, bez konieczności przepuszczania przez nią prądu. Największy na świecie stellarator to Wendelstein 7-X (W7-X), który powstał w Greifswaldzie w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka i do tej pory tam działa.
MM: Doświadczenia ITER prowadzone w Europie świadczą raczej, że tego typu konstrukcja nawet za dwie dekady, choć możliwa do realizacji, byłaby nieprawdopodobnie droga. Czy to znaczy, że reaktor fuzyjny jest co prawda możliwy i osiągalny, ale bardziej jako demonstracja osiągniętego poziomu naukowego i technologicznego, rodzaj programu Apollo, niż realizacja rozwiązania do otrzymywania energii?
KR: Urządzenia doświadczalne, tego typu, jak pan mówi „programy Apollo”, już mamy. Przy ich budowie trzeba było rozwiązać masę problemów. Jeszcze w latach 80 XX wieku powstał ogólnoświatowy program energetyki termojądrowej zakładający rozwój instalacji doświadczalnych do roku 2010. Miał on się zakończyć zaprojektowaniem i rozpoczęciem budowy tokamaka ITER (International Termonuclear Expeimental Reactor), jako wspólnej inwestycji Unii Europejskiej, Stanów Zjednoczonych, Rosji, Japonii, Chin i Korei Południowej. ITER to wstęp do budowy kolejnej wersji tokamaka, już IV generacji, tzw. DEMO. Ma on być budowany od 2040 r. i ma być urządzeniem doświadczalnym umożliwiającym budowę obiektu PROTO, który powstanie około 2070 r. I to już jest prototyp, a właściwie taki obiekt-wzorzec pierwszej dużej elektrowni termojądrowej. Szacuje się, że 20 lat wcześniej mogą powstać mniejsze.
ITER budowany jest we Francji w Caradache, wystąpiły jednak znaczne opóźnienia w pracach. Zgodnie z planem pierwszy zapłon reaktora ITER przewidywany był na rok 2019, a prawdopodobnie zostanie uruchomiony w obecnym roku, zaś pełne działanie robocze, tzw. first plasma osiągnie na początku roku 2025. Według projektów ITER ma każdorazowo podtrzymywać reakcję fuzyjną przez ok. 1000 sekund osiągając moc 500-1100 MW. W reaktorze planowane jest przeprowadzenie eksperymentów fuzji w plazmie deuterowo-trytowej.
Z kolei w Wielkiej Brytanii w pobliżu miasta Culham powstał największy tokamak JET, jako wspólna inicjatywa krajów europejskich i Brytyjczyków. To już dość stary projekt, bo pierwsze eksperymenty odbyły się tam w 1983 r. Badania prowadzone z użyciem JET koordynuje organizacja European Fusion Development Agreement. Reaktor jest przystosowany do reakcji syntezy termojądrowej z wykorzystaniem deuteru i trytu. Obecnie prowadzone eksperymenty służą głównie jako wzorcowe dla reaktora ITER.
MM: Czy przy obecnym poziomie zaawansowania technologicznego ewentualne reaktory fuzyjne mają sens z biznesowego punktu widzenia, czy bardziej opłaca się dopracowywać ich technologie, korzystając na razie z rozwiązań reaktorów starszych systemów, mniej wydajnych, ale pewniejszych i przede wszystkim tańszych?
KR: Dotychczas zbudowano wiele typów urządzeń, w których sprawdzano możliwość powstania reakcji termojądrowych, jak i testowano warunki zainicjowania reakcji syntezy. Najbardziej zaawansowane są prace nad reaktorem ITER i zdobywane są dalsze doświadczenia z wykorzystaniem reaktora JET. Optymistycznie zakłada się, że do roku 2050 powstaną reaktory termojądrowe, które umożliwią korzystanie z wytwarzanej przez nie energii. Jest to bardzo ambitny plan biorąc pod uwagę wyzwania jakie są jeszcze do pokonania, tj.: uzyskanie wysokiej temperatury koniecznej do przeprowadzenia fuzji, czy długotrwałe utrzymanie plazmy, aby pozyskać z niej energię użytkową. Nie ma jednak wątpliwości, że chociaż istniejące rozwiązania energetyki atomowej wciąż będą wykorzystywane, modernizowane i wdrażane, to energetyka fuzyjna już nam się pokazuje na horyzoncie.
Dziękuję za rozmowę.
Dr inż. Krzysztof Rzymkowski od początku swojej kariery zawodowej był związany z techniką jądrową. Pracował w Zakładzie Doświadczalnym Biura Urządzeń Techniki Jądrowej – późniejszy POLON. Odbywał staże naukowe i praktyki przemysłowe w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, Comitato Nazionale per l’Enegia Nucleare Centro Ricerche della Casaccia. Pracował w Instytucie Badań Jądrowych Świerk oraz Państwowej Agencji Atomowej. Przez 15 lat był inspektorem Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wiedniu w rejonie inspekcyjnym Dalekiego Wschodu w szczególności Japonii, KDRL – Korei Płn. – i Indonezji. Aktualnie jest Sekretarzem Generalnym SEREN – Stowarzyszenia Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej i wiceprzewodniczącym Komitetu Energii Jądrowej SEP.
