Święty Graal energetyki, perpetuum mobile, rewolucja – bombastycznych określeń na opisanie fuzji termojądrowej nie brakuje. Nad technologią zaczęto pracować jeszcze w latach 50., w 1950 r. radzieccy naukowcy, Igor Tamm i Andriej Sacharow stworzyli pierwszy tokamak, czyli reaktor, w którym miała zachodzić reakcja termojądrowa. Ale przez ponad pół wieku niewiele się w tym zakresie działo. Reaktory termonuklearne zaczęły ponownie budzić zainteresowanie, dopiero gdy świat zaczął się przejmować zmianami klimatycznymi stanem środowiska. Dziś, po rosyjskim ataku na Ukrainę, technologia jeszcze bardziej nabiera znaczenia.

Dlaczego? Ważnych przyczyn jest kilka. Energię nuklearną można uzyskać na dwa sposoby: rozszczepiając jądra atomów lub je łącząc. Konwencjonalne reaktory nuklearne, jak wiadomo, tworzą energię poprzez rozszczepienie – co, po pierwsze, jest procesem gwałtownym, który trzeba kontrolować, a po drugie, reakcja jest możliwa przy użyciu jąder ciężkich, znajdujących się w takich pierwiastkach, które po użyciu tworzą radioaktywne odpady, których rozpad liczony jest w tysiącach czy setkach tysięcy lat. Niekontrolowana reakcja powoduje wybuch, co przekłada się na wszystkie zagrożenia, które jeżą włosy na karku ekologów i przeciętnego Kowalskiego.

W tokamaku, czyli reaktorze termojądrowym, zachodzi proces odwrotny: jądra pierwiastków wytwarzają energię, łącząc się. Jednak zamiast nabierać tempa i gwałtowności reakcja, która nie będzie stymulowana, stopniowo się zakończy. Ale też teoretycznie, przy odpowiednim moderowaniu, reakcja ta może zachodzić w nieskończoność. Pozostałości paliw używanych w tokamakach dezaktywują się w ciągu najdalej kilkuset lat.

Tyle teoretyczne zalety. W praktyce naukowcy borykają się z szeregiem problemów, a zwłaszcza z problemem podtrzymania fuzji. Uruchomioną reakcję niezwykle trudno podtrzymać: znajdująca się w reaktorze plazma musi osiągnąć temperaturę rzędu milionów stopni Celsjusza, by zaczęła się reakcja – a zatem trzeba jeszcze użyć energii, by całość „wprawić w ruch”. Największe osiągnięcia pod tym względem mają Chińczycy, którym w Experimental Advanced Superconducting Tokamak udało się utrzymać temperaturę 70 mln stopni. Przy 120 mln stopni udało im się reakcję utrzymać zaledwie przez nieco ponad półtorej minuty. Z kolei najwyższą efektywność (czyli przełożenie ilości energii użytej do wywołania reakcji na ilość energii wyprodukowaną w ramach tej reakcji) uzyskali Brytyjczycy w swoim Joint European Torus: stosunek energii wyprodukowanej do zużytej na uruchomienie procesu sięgnął 2:3. Innymi słowy, fuzja termojądrowa dziś pożera więcej energii, niż jej daje.

Z drugiej strony w ekspresowym tempie rosną nadzieje, że jednak coś z tych eksperymentów wyniknie. – Obecnie prowadzi się wiele projektów, które wiążą się z bardzo wiarygodnym planem rozwiązania problemów fizyki związanych z reakcją termojądrową do końca bieżącej dekady – mówił w ubiegłym tygodniu, podczas przesłuchania w państwowej Komisji Nauki i Technologii, dr Nick Hawker, badacz z Oksfordu i twórca energetycznego start-upu First Light Fusion.

Do ważnego odkrycia doszło też w ostatnich tygodniach w Szwajcarii. Tamtejsi badacze z Lozanny obalili jedną z reguł fuzji termojądrowej, tzw. limit Greenwalda (weterana badań nad tym zagadnieniem z Massachusetts Institute of Technology). Wiązało ono gęstość paliwa z wewnętrznym promieniem reaktora oraz prądem płynącym w plazmie w reaktorze. Najprościej rzecz ujmując, paliwo nie mogło być gęstsze, niż wynikało to z obliczeń amerykańskiego naukowca. Okazało się, że może być nawet dwukrotnie gęstsze i dzięki zwiększonej gęstości reakcja będzie produkować znacznie więcej energii.

Jak zatem widać, nie brakuje przesłanek do optymizmu, co zresztą tchnęło w badania nowe życie – poza uniwersyteckimi ośrodkami badawczymi powstało w ostatnich latach kilkadziesiąt prywatnych firm, które zajęły się badaniami nad fuzją. Tyle że problem pojawia się gdzie indziej: jak pisze magazyn „Wired”, na świecie zaczyna brakować jednego z ważnych składników paliwa do reakcji termojądrowej. Chodzi o tryt, który tworzy owo paliwo po zmieszaniu z innym ciężkim izotopem wodoru, deuterem. Z tym drugim nie ma problemu, można go uzyskać choćby z wody morskiej – ale tryt uzyskuje się w trakcie reakcji w reaktorach ciężkowodnych, których na świecie nie ma nawet 30, a z tego większość stopniowo zbliża się do kresu funkcjonowania. Innymi słowy, całego trytu na Ziemi jest dziś może 20 kilo – i trudno będzie zdobyć więcej. A tylko jeden potencjalny reaktor produkujący energię z fuzji termojądrowej potrzebowałby ok. 200 kg trytu rocznie.

Innymi słowy, w przyszłościowym obszarze energetyki nuklearnej zaczął się kryzys surowcowy na długo przed tym, zanim zaczął on działać. Pozostaje mieć nadzieję, że nauce uda się nie tylko przezwyciężyć problemy z uruchomieniem długotrwałej, efektywnej reakcji, ale i deficytem paliwa do tokamaków.

Autopromocja
Subskrybuj nielimitowany dostęp do wiedzy

Unikalna oferta

Tylko 5,90 zł/miesiąc


WYBIERAM