Synteza termojądrowa – reakcja łączenia jąder atomów najlżejszego pierwiastka, czyli wodoru, w wyniku czego powstają atomy cięższego pierwiastka, czyli helu – jest podstawą istnienia gwiazd, także Słońca. Wielka temperatura panująca w ich wnętrzach uruchamia proces łączenia jąder wodoru, przy czym towarzyszące temu potężne ciśnienie próbuje ujść na zewnątrz gwiazdy, jest jednak powstrzymywane jej grawitacją. To daje gwieździe równowagę, dzięki której istnieje i w której może dochodzić do łączenia oraz przemiany kolejnych pierwiastków z tablicy Mendelejewa. Tak powstaje hel, węgiel, następnie tlen, a potem azot i kolejne coraz cięższe pierwiastki – aż do żelaza. Oto tajemnica stworzenia.
Synteza jest łączeniem. Wymaga ogromnych energii kinetycznych cząstek, by zmusić zjonizowane, a więc naładowane dodatnio, jądra wodoru do fuzji – ale w rezultacie powstaje cięższy hel oraz wysokoenergetyczne cząstki (neutrony oraz cząstki alfa w przypadku syntezy deuter-tryt), z których można pozyskać ogromne ilości ciepła. Przebiegająca w sposób niekontrolowany reakcja jest podstawą działania bomby wodorowej – o wiele potężniejszej od bomby atomowej. Dziś wyzwaniem jest uzyskanie kontroli nad procesem syntezy jądrowej.
Tokamak: niezwykła idea
Na początku lat 50. XX w. dwaj fizycy radzieccy Igor Tamm i Andriej Sacharow, zaangażowani w prace nad budową radzieckiej bomby wodorowej, wpadli na pomysł, by reakcję syntezy jądrowej zastosować do produkcji energii. Uczeni zaproponowali projekt tokamaka – urządzenia, w którym synteza termojądrowa mogłaby być wykorzystana w sposób kontrolowany i tym samym otworzyć dostęp do nieograniczonego, niezwykle wydajnego i stosunkowo bezpiecznego źródła energii.
Tokamak to komora w kształcie torusa (obwarzanka), w którym plazma (a więc zjonizowana mieszanina np. izotopów wodoru, deuteru i trytu) utrzymywana jest polami magnetycznymi, zapewniającymi izolację gorącej materii od ścian komory, by się nie ochłodziła i nie wygasła. Okazało się, że do fuzji termojądrowej łatwiej doprowadzić, łącząc ze sobą nie atomy zwykłego wodoru (protu), lecz jego cięższych izotopów – a więc deuteru otrzymywanego z wody oraz trytu otrzymywanego z litu, który powszechnie występuje w skałach ziemskich. Tokamaki zaczęto budować i badać w ZSRR w drugiej połowie lat 50. XX w. A potem w wielu innych krajach.
Szybko się okazało, że utrzymanie plazmy w stabilnym stanie i podgrzanie jej do temperatury kilkudziesięciu lub nawet 100 mln stopni, by mogło dojść do syntezy termojądrowej, nie jest łatwym zadaniem. W tokamakach głównym źródłem energii jest przepływający przez plazmę prąd elektryczny o bardzo wysokim natężeniu, sięgającym milionów amperów. W efekcie urządzenia te wytwarzają supergorącą plazmę w sposób impulsowy, a nie ciągły. Do dzisiaj problemy te nie zostały w pełni rozwiązane, mimo że we Francji wysiłkiem wielu państw – w tym Unii Europejskiej – powstaje ITER, gigantyczny eksperymentalny reaktor termojądrowy typu tokamak. To w nim, zdaniem uczonych, ma dojść za jakiś czas do pierwszej kontrolowanej i wydajnej reakcji termojądrowej.
Stellarator: gwiezdna ósemka
Nieco inny pomysł na uwięzienie plazmy w magnetycznej pułapce (by potem doprowadzić w niej do reakcji syntezy) miał amerykański fizyk plazmy Lyman Spitzer z Princeton Plasma Physics Laboratory, który w latach 50. XX w. zaproponował rozwiązanie zwane stellaratorem (od stellar, czyli gwiezdny). Spitzer najpierw rozciągnął nieco kształt torusa, po czym skręcił go, tworząc coś w rodzaju położonej ósemki. Chodziło o osiągnięcie takiego kształtu komory, by plazma stabilizowała się w niej sama, bez płynącego w niej prądu. Potem pomysł ten został udoskonalony: komora stellaratora – po przywróceniu jej kształtu torusa – została kilkukrotnie skręcona dookoła osi biegnącej wzdłuż obiektu, ale tak, by strumień plazmy nie przecinał się w żadnym miejscu.
Stellaratory były popularne w badaniach kontrolowanej fuzji termojądrowej w latach 50. i 60. ubiegłego wieku, jednak znacznie lepsze rezultaty uzyskiwane w tokamakach spowodowały, że ograniczono nad nimi badania. Występujący wciąż – i póki co nieusuwalny – problem z impulsowym trybem pracy tokamaka, jak również rosnąca moc obliczeniowa komputerów spowodowały, że w latach 90. odżyło zainteresowanie stellaratorami. Obecnie koncepcja stellaratora jest traktowana jako drugie, niezależne od tokamaków, ale równie ważne rozwiązanie. I tak narodził się pomysł zbudowania potężnego urządzenia w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Greifswaldzie w Niemczech.
Król Wendelstein 7-X
Niedawno świat obiegła informacja, że największy stellarator świata jest gotowy. Nazywa się Wendelstein 7-X i kosztował ok. 400 mln euro. Powstawał ponad 15 lat, składa się z ponad miliona części i wygląda jak jakaś pozaziemska instalacja, służąca bardzo tajemniczym celom, zrzucona do Greifswaldu przez obcą cywilizację.
Stellarator ma średnicę 16 m, a jego sercem jest stalowa komora próżniowa, w której plazma ma być podgrzewana do ok. 100 mln stopni. Komora ma kształt torusa, tyle że skręconego pięciokrotnie. Gdyby przeciąć samochodową dętkę w jednym miejscu, a następnie jeden jej koniec unieruchomić, drugi zaś przekręcić pięć razy, a potem oba końce skleić, powstałby podobny kształt. Całą komorę oplatają potężne cewki magnesów – jest ich w sumie 70, z czego 50 ma kształt dokładnie dopasowany do krzywizn komory. Każdy z tych magnesów waży ok. 6 ton. Obleka je płaszcz próżniowy.
Ponieważ cewki zostaną schłodzone przez ciekły hel do temperatury bliskiej zera bezwzględnego – staną się wówczas nadprzewodzące i będą mogły utrzymywać pole magnetyczne, praktycznie nie zużywając energii elektrycznej – muszą działać w próżni; bez niej w tak niskiej temperaturze wszystko natychmiast by zamarzło. Całość przykrywa jeszcze zewnętrzna powłoka, w której umieszczono tysiące czujników, detektorów i terminali rozmaitych systemów monitorowania, analizowania i kontroli. Wszystko to waży 725 ton.
Wstrzyknięty do próżniowej komory Wendelsteina 7-X wodór lub deuter – o gęstości 10 tys. razy niższej niż gęstość powietrza – zostanie najpierw ogrzany silną wiązką mikrofali o mocy 10 MW, a następnie dodatkowo strumieniem neutralnych cząstek (pozbawionych ładunku atomów wodoru lub deuteru) o podobnej mocy. Oplatające komorę cewki magnesów wytworzą pole magnetyczne o indukcji 3 tesli (100 tys. razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego), które utrzyma plazmę w odpowiednim skupieniu, czyli ustabilizuje ją, nie dopuszczając, by ta – rozgrzana do temperatury 100 mln stopni – zetknęła się ze ścianami komory. Gdyby tak się stało, reakcja termojądrowa nie mogłaby być kontynuowana (plazma wygasa natychmiast po kontakcie z „obcym” materiałem), poza tym komora mogłaby zostać uszkodzona w miejscu kontaktu z gorącą plazmą. Stellarator, w przeciwieństwie do tokamaka, może podtrzymywać warunki konieczne dla reakcji termojądrowej w sposób ciągły – na przykład przez pół godziny, co ma właśnie zademonstrować Wendelstein 7-X – a nie impulsowy. To jego główna przewaga i zaleta.
– W stellaratorze – wyjaśnia dr Maciej Krychowiak, polski fizyk na stałe pracujący w instytucie w Greifswaldzie – symulujemy warunki istniejące wewnątrz gwiazdy, na przykład wewnątrz Słońca. Ale musimy mieć znacznie wyższe temperatury niż te panujące w Słońcu. Tam sięgają one kilkunastu milionów stopni, my planujemy 100 mln stopni. To dlatego, że Słońce jest ogromne i może podtrzymywać reakcję syntezy z małą wydajnością. Wydajność przyszłego reaktora, ze względu na jego rozmiary, musi być znacznie wyższa.
Tania energia
Zjawiska kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej nie da się obecnie dokładnie przewidzieć i obliczyć. Stąd potrzebne są urządzenia eksperymentalne (tokamaki lub stellaratory), w których przez lata będą prowadzone skomplikowane doświadczenia, a potem analizowane krok po kroku, i to, być może, w przyszłości pozwoli stworzyć pierwszą prototypową instalację energetyczną. Trzeba jednak ogromu pracy, wielkich pieniędzy i wielu lat, by ten cel osiągnąć.
Prof. Robert Wolf, jeden z dyrektorów Instytutu Fizyki Plazmy w Grefswaldzie, mówi: –Teraz gdy urządzenie jest gotowe, zaczniemy wytwarzać w jego komorze plazmowej próżnię. Gdy to osiągniemy, zaczniemy powoli uruchamiać i testować system cewek magnetycznych. To potrwa jakiś czas, ponieważ pośpiech jest tu bardzo niewskazany. Następnie przetestujemy system grzania plazmy i chłodzenia całości. Myślę, że pierwsza plazma zapłonie w urządzeniu dopiero za rok. Wtedy zaczną się wstępne testy całego stellaratora.
Wydaje się jednak, że ta kosztowna i pracochłonna gra jest warta zachodu. Wydajność energetyczna reakcji syntezy termojądrowej nie ma sobie równych. Synteza mieszaniny deuteru i trytu, uzyskanej z 40 litrów morskiej wody (dającej deuter) i 5 gramów litu (dającego tryt), jest równoważna energetycznie spaleniu 40 ton węgla. 40 litrów wody to nie jest dużo, a 5 g litu znajduje się w typowej baterii laptopa. Niezły wynik.
Poza tym surowiec jest dostępny w każdych ilościach (deuteru i litu mamy na Ziemi pod dostatkiem), reakcja syntezy jest czysta i bezpieczna (reaktor w sytuacji awaryjnej po prostu się wyłącza, nie trzeba go specjalnie chłodzić i neutralizować). Problem tylko w tym, że reakcję tę trzeba opanować i doprowadzić do tego, by energia włożona w jej zainicjowanie była mniejsza od energii uzyskanej.
Kontrolowana synteza jądrowa usunęłaby problemy energetyczne świata na zawsze. Energia stałaby się w końcu powszechnie dostępna za niewielką cenę, a oparte na syntezie siłownie zastąpiłyby wszystkie inne źródła energii. Jest więc o co walczyć i cieszy, że w zmaganiach tych aktywnie uczestniczy Polska. Podczas uroczystości inauguracji stellaratora w Instytucie Fizyki Plazmy w Greifswaldzie Polaków niemal noszono na rękach. W trakcie wszystkich publicznych wystąpień, ale też w rozmowach mniej oficjalnych i prywatnych, Niemcy na każdym kroku podkreślali znaczenie udziału polskich uczonych, polskich instytutów badawczych i firm w projekcie. Uczestniczą w nim od 2006 r. i pojawili się w kluczowym momencie, kiedy przedsięwzięcie ze względów finansowych wisiało na włosku.
Problemy szczęśliwie udało się przezwyciężyć i projekt znów szybko ruszył do przodu. Największy wkład w budowę stellaratora Wendelstein 7-X ze strony polskiej mają: Instytut Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa, Narodowe Centrum Badań Jądrowych z Warszawy (Świerku), Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy z Warszawy oraz Uniwersytet Opolski. W pracach uczestniczyło też kilka prywatnych polskich firm. Jest więc szansa, że i my będziemy mieli swój kawałek Słońca na Ziemi.
Żródło: polityka.pl
