Czysta energia

Słowo reaktor, oprócz tego, że budzi nieuzasadniony lęk, kojarzy się najczęściej z elektrowniami atomowymi. Tam, we wnętrzu reaktora właśnie, w tzw. rdzeniu, następuje reakcja rozszczepienia. Jądra ciężkich atomów uranu albo plutonu (tzw. pierwiastki rozszczepialne) pod wpływem uderzenia neutronu rozpadają się na mniejsze kawałki. Każdy taki rozpad powoduje uwolnienie się sporej ilości energii. Ta energia zamienia wodę w gorącą parę wodną, która następnie rozkręca turbiny, dzięki temu produkując prąd. energię. Energię, której nigdy nie zabraknie.

Ale reaktory pracują nie tylko w elektrowniach jądrowych. Ogólnie rzecz biorąc, reaktor to pojemnik, w którym zachodzi jakaś reakcja. Może to być np. reakcja fuzji jądrowej. energię. Energię, której nigdy nie zabraknie.

Fuzja jądrowa jest w pewnym sensie przeciwnością rozszczepienia jądrowego. W tym ostatnim ciężkie pierwiastki rozpadają się na lżejsze, a w fuzji (albo inaczej syntezie) lekkie łączą się w cięższe. Na tym można zarobić (energetycznie) nawet więcej niż na rozszczepieniu. O tym, że pomysł działa znakomicie, świadczą… gwiazdy. To dzięki reakcji fuzji jądrowej świecą jasnym blaskiem. Nasze Słońce nie jest wyjątkiem.

Do połączenia dwóch lekkich jąder atomowych potrafimy doprowadzić także na Ziemi, w laboratoriach fizycznych. W czasie procesu łączenia część masy lekkich pierwiastków jest zamieniana wprost na energię. Kalkulacje są bardzo obiecujące. Do zaspokojenia potrzeb energetycznych jednego mieszkańca miasta w ciągu całego jego życia wystarczy zaledwie kilkanaście gramów izotopów wodoru. Proces ten (w przeciwieństwie do rozszczepienia ciężkich jąder) nie pozostawia po sobie promieniotwórczych odpadów, a ilość paliwa (czyli izotopów wodoru) jest praktycznie nieograniczona. Kilka litrów wody morskiej – bo to z niej będą „wyławiane” izotopy wodoru – daje prawie tyle energii co 2 tony węgla. Istnieje więc niezawodne, czyste i nieograniczone źródło energii. Skoro tak, to dlaczego jeszcze z niego nie korzystamy?

Jak się tworzy piekło?

Jądra atomowe mają ładunek dodatni, bo budują je protony. Zbliżenie dwóch jednoimiennych, czyli naładowanych tym samym „znakiem”, przedmiotów nie jest proste. Im bliżej siebie się znajdują, z tym większą siłą się odpychają. Przyciągają się za to obiekty tzw. różnoimienne, czyli o ładunku odwrotnym. Aby doprowadzić do fuzji, a więc połączenia dwóch dodatnio naładowanych jąder atomowych, trzeba całkiem sporo energii wykorzystać. W gwiazdach, czyli tam, gdzie działają największe naturalne reaktory fuzji, temperatura może przekraczać 15 milionów stopni, a ciśnienie wynosić nawet 100 tys. atmosfer. W reaktorach znajdujących się w ziemskich laboratoriach tak wysokiego ciśnienia nie da się osiągnąć, ale można to nadrobić wyższą temperaturą. W tokamakach – bo tak nazywają się reaktory, w których zachodzi reakcja fuzji – temperatura może osiągać kilkaset milionów stopni.

Jak się tworzy takie piekło? Wszystko dzieje się w potężnym polu elektrycznym. To tam, w wypełniającym specjalnie zaprojektowaną komorę gazie, dochodzi do wyładowań elektrycznych. Błyskawice ciągle ogrzewają wnętrze reaktora. Ten proces wymaga ogromnych ilości energii, ale gdy temperatura wzrośnie do odpowiedniego poziomu, poruszające się chaotycznie we wszystkich kierunkach jądra wodoru przy każdej kolizji będą tworzyły jądro innego pierwiastka – helu. Przy okazji uwalnia się dużo energii, która podtrzymuje albo nawet podnosi i tak już bardzo wysoką temperaturę we wnętrzu reaktora.

Czy człowiek jest w stanie ten proces kontrolować? Odpowiedź nie jest prosta. Fizycy, postępując bardzo precyzyjnie, są w stanie zderzyć dwa jądra atomowe. Jeżeli energia zderzenia (prędkość tychże jąder) będzie wystarczająco duża, połączą się one, tworząc inny – większy – pierwiastek. Kłopot w tym, że taka metoda „w pojedynkę”, choć doskonale kontrolowana, nie może być wydajna w kontekście produkcji prądu. Więcej energii zużyje się, rozpędzając dwa jądra atomowe, niż uzyska po ich zderzeniu. Chodzi o to, żeby reakcji fuzji zachodziło możliwie jak najwięcej równocześnie, żeby zachodziły masowo. Dopiero wtedy rachunek ekonomiczny może się opłacić. Proces musi być całkowicie kontrolowany. Niekontrolowana fuzja zachodzi w czasie eksplozji bomby termojądrowej. Trudno tutaj mówić o jakimkolwiek zysku ekonomicznym. Ale reakcje, o których mowa, można kontrolować, choć trzeba przyznać, że na razie udawało się to robić przez zaledwie kilka chwil. Najdłużej, przez kilkadziesiąt minut, utrzymano i kontrolowano fuzję
jądrową w tokamaku JET, znajdującym się w Culham w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii.

Skomplikowany proces zainicjowania reakcji i jej kontrolowanie to niejedyne problemy. Kolejnym jest, jak wytworzoną energię „odebrać” z wnętrza reaktora, czyli jak ją „przerobić” na prąd. Dotychczas nikomu się to nie udało. Teraz się uda – w budowanym na południu Francji nowoczesnym reaktorze ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ma to być pierwsze urządzenie, które daje więcej energii, niż zużywa do swojego funkcjonowania.

Nadzieja w rewolucji

Budowa ITER, jak się wydaje, ma być ostatnim etapem przed konstruowaniem w pełni komercyjnych elektrowni. We wnętrzu reaktora fuzja będzie utrzymywana w całkowicie kontrolowanych warunkach przez bardzo długi czas. To pierwsza rewolucja. Druga – ITER będzie do swojego funkcjonowania zużywał znacznie mniej energii niż obecne pracujące w laboratoriach fizyków tokamaki. W efekcie będzie produkował prąd, a nie tylko konsumował.

Jeżeli wszystko pójdzie po myśli naukowców, będzie jaskółką, która wieści nadejście ery czystej energii bez ograniczeń.

ITER po łacinie znaczy „droga”. Projekt ma wyznaczać kierunek rozwoju energetyki. Kiedy nastąpi prawdziwy przełom? Badania nad fuzją trwają od wielu dziesięcioleci, ale dopiero teraz znajdują się – choć nie bez kłopotów – na nią duże pieniądze. ITER ma kosztować ponad 10 mld dolarów, a to oznacza, że jest drugim, po stacji orbitalnej, największym na świecie projektem naukowym. Po wieloletnich przepychankach zdecydowano się go realizować na południu Francji, w istniejącym już ośrodku jądrowym w Cadarache. Świat potrzebuje coraz więcej czystej energii. Czy reaktory takie jak ITER jej dostarczą, okaże się za kilkanaście lat.

Tomasz Rożek