Reakcja syntezy: dobierzmy się do energii gwiazd!

Zdecydowaną większość historii, nasza cywilizacja zdana była na energię pozyskiwaną w ekstremalnie niewydajnym procesie spalania. Przełom nastąpił wraz z ujarzmieniem jądra atomu i jego rozszczepieniem. Obecnie stoimy w obliczu kolejnej rewolucji, która, być może, okaże się jeszcze poważniejsza od poprzedniej.

Mamy taką wizję: na brzegu morza stoi elektrownia, rurą płynie do niej woda morska, kominem ulatuje  hel, zaś do sieci elektrycznej płynie prąd

Rendel Sebastian Pease

Dlaczego akurat fuzja termojądrowa?

Już Albert Einstein przewidywał, że choć na ludzkość czeka niezliczona ilość kłopotów, to energia na pewno nie będzie jednym z nich. Pewność autora teorii względności miała swoje źródło w jego szokującym postulacie, głoszącym całkowitą wymienność masy na energię. W świetle popularnego równania E=mc², każde ziarenko piasku, każda kropla wody, każdy atom, to tak naprawdę skondensowany rezerwuar energii. Pozostaje jedynie zadać sobie pytanie: jak się do niej dobrać?

Dobra wiadomość jest taka, że od dawna dokładnie znamy proces pozwalający na przekształcenie materii w czystą energię z niemal stuprocentową skutecznością. Tym procesem jest anihilacja następująca w trakcie spotkania cząstki elementarnej ze swoją antycząstką. Wystarczy zbliżyć drobinę to jej lustrzanego odbicia, a resztę załatwia natura. Na nasze nieszczęście (choć to zależy od punktu widzenia), antymateria występuje we wszechświecie w ilościach śladowych, zaś jej przechowywanie, nie mówiąc o produkcji, pozostaje zdecydowanie zbyt kosztowne.

Synteza termojądrowa jest czymś w rodzaju półśrodka. Na pewno nie zapewni nam takiej wydajności jak anihilacja, ale optymiści twierdzą, że opanowany proces fuzji jąder będzie pięć, może nawet dziesięć razy efektywniejszy od eksploatowanej obecnie reakcji rozszczepiania jąder uranu czy plutonu. A to nie jedyna zaleta, bo syntezować możemy znacznie bezpieczniejsze i powszechniejsze pierwiastki niż wymienione metale, co oznacza relatywnie tanie i niemal niewyczerpalne źródełko energii. Aby to wszystko osiągnąć wystarczy brać przykład ze… Słońca. Brzmi futurystycznie, ale właśnie tak odważnego przedsięwzięcia podjęły się największe ośrodki badawcze na świecie. Pragną odwzorować warunki panujące we wnętrzu gwiazdy, tak aby zainicjować analogiczny proces energetyczny.

Energia “znikąd”

Zanim przejdziemy do syntezy, najpierw musimy coś podzielić – czyli przypomnieć sobie pokrótce skąd bierze się energia uzyskiwana w trakcie rozszczepienia atomu. To wbrew pozorom nie jest takie oczywiste. Weźmy pod lupę proces rozbicia, dajmy na to jądra uranu 235. Po walnięciu go neutronem, zostaje ono rozczłonkowane na jądro kryptonu, jądro baru i trzy swobodne neutrony (które pomkną rozbijać kolejne jądra – dlatego mowa o reakcji łańcuchowej). Ku naszej radości dochodzi również do emisji energii, o mocy około 200 MeV (megaelektronowoltów). Jak na jeden atom to naprawdę dużo, stąd cały proces jądrowy ocenia się jako setki milionów razy bardziej energetyczny niż staromodne, chemiczne spalanie.

Reakcja ta kryje jednak pewną wstydliwą tajemnicę. Na szkolnych lekcjach chemii każdy z nas poznał odwieczną zasadę stwierdzającą, iż masa substratów musi być równa masie produktów. Mówiąc prościej: w naturze nic nie ginie, ani nie bierze się z niczego. Tymczasem podczas rozszczepienia, część energii pojawia się, właśnie jak gdyby znikąd. Kiedy zabawimy się w fizyczną izbę kontroli i dokonamy naprawdę skrupulatnego pomiaru bilansu energii/masy produktów rozszczepienia, okaże się, że jest on większy niż bilans masy/energii samotnego jądra U235. Sprawa jest na tyle kłopotliwa, że na początku ubiegłego wieku nawet takie tuzy jak Niels Bohr, dopuszczały myśl istnieniu jakiegoś egzotycznego wyjątku od zasady zachowania energii. Koniec końców, takie ofiary nie były konieczne, a sprawę wyjaśniono bez dewastowania krajobrazu fizyki.

Przyroda wymaga aby część bilansu energetycznego poszczególnych cząstek składowych, pozostawała zaangażowana w utrzymanie całego układu. To tak zwana energia wiązania, która nieintuicyjnie objawia się dopiero po rozerwaniu atomu lub cząstki. W ten sposób, przykładowy neutron ma ciut mniejszą masę przebywając w jądrze atomu, niż frunąc swobodnie przez przestrzeń! To tak jak gdybyśmy zważyli domek złożony z klocków lego i spostrzegli, że waży on troszeczkę mniej niż suma wszystkich klocków zważonych osobno.

Rzecz jasna nasze klocki, czyli pierwiastki, bywają różne. Charakteryzują się odmienną wartością energii wiązania przypadającą na każdy nukleon, a więc de facto te same cząstki różnią się swoją masą w zależności od jądra w jakim przyszło im przebywać. “Najmasywniejszy” nukleon odnajdziemy w wodorze, ponieważ jego jądro tworzy osamotniony proton, niezobowiązany do dzielenia się swoją energią z żadnym towarzyszem. Różnice o których mowa mogą wydawać się niewielkie, ale te kilka procent masy ukrytej w energii wiązań, pozostaje kluczem tak do reakcji jądrowych jak i fuzji termojądrowej.

Łączenie jąder jest trudne

Jak ustaliliśmy, w wyniku rozszczepienia, z jednego “dużego” jądra powstają dwa mniejsze z dodatkiem różnych odpadów i energii. Synteza lub fuzja, jak sama nazwa wskazuje, prowadzi do powstania pierwiastka cięższego z kilku lżejszych. Nie przesadzę pisząc, że to najpowszechniejsze źródło energii w całym wszechświecie. W tej sekundzie, we wnętrzach setek miliardów gwiazd dochodzi do przerobienia biliardów ton wodoru w niezliczoną ilość helu. Podziwiając rozgwieżdżony nieboskłon oglądamy ni mniej ni więcej niż efekt pracy gigantycznych piecyków termojądrowych.

Prześledźmy modelową reakcję fuzji termojądrowej z udziałem dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. Przy pomocy ogromnej energii lub zjawiska tunelowania kwantowego (temat na inny wpis), jądra mogą zbliżyć się na tyle, aby zadziałały oddziaływania jądrowe. Jeśli zaiskrzy, otrzymamy jądro izotopu helu 4He, swobodny neutron i rzecz jasna energię. Jak wspomnieliśmy, energia wiązania skromnego, małego wodoru jest bardzo duża, toteż nadprogramowy neutron zostaje wystrzelony z niebagatelną siłą. 

Fuzja termojądrowa dwóch atomów

Dlaczego zatem z tego dobrodziejstwa wciąż nie korzystamy? Kłopot stanowi moment zderzenia jąder atomowych. Nie wystarczy aby cząstki się o siebie otarły czy zwyczajnie puknęły – w takim przypadku dojdzie do odbicia. Zauważmy, że mowa o obiektach wyposażonych w taki sam ładunek elektryczny (oba jądra są naładowane dodatnio), a jak każde dziecko wie, dwa “plusy” zawsze będą się odpychać. Zatem do dokonania fuzji i stworzenia nowego pierwiastka, należy przebić się przez barierę kulombowską; tj. rozłożyć na łopatki siły elektrostatyczne. Jeśli się uda, silne oddziaływanie jądrowe załatwi resztę.

Wnętrze gwiazdy na Ziemi

W jądrze Słońca panuje temperatura około 15 milionów stopni Celsjusza. To niezwykle trudne do uzmysłowienia, więc może przedstawię sprawę inaczej. Żeby w ogóle myśleć o zabawie w energetykę termojądrową, musimy zapanować nad materią rozgrzaną co najmniej 2,5 tysiąca razy bardziej od niklowo-żelaznego jądra naszej planety. Dopiero w tak ekstremalnych warunkach, pędzące na złamanie karku nukleony zderzają się ze sobą na tyle mocno aby spontanicznie tworzyć nowe pierwiastki. Fizycy mówią w tym przypadku o spełnieniu kryterium Lawsona, czyli osiągnięciu minimalnych warunków koniecznych dla zainicjowania syntezy. Aby to kryterium spełnić, naukowcy muszą dosłownie rozpętać piekło na Ziemi.

Przeciwności jest co niemiara, z czego dwie rzucają się w oczy niemal natychmiast, nawet kompletnemu laikowi. Po pierwsze, jak do diaska uzyskać temperaturę rzędu wielu milionów stopni? Owszem, to jest do zrobienia, ale aby osiągnąć strategiczny cel musimy przecież wykorzystać do tego celu mniej energii niż zyskamy w procesie syntezy. Inaczej nasze wysiłki pozostają sztuką dla sztuki. Pod drugie, należy rozgrzaną do owych milionów stopni materię gdzieś przechowywać. Każdy materiał, z którego skonstruujemy naczynie, najzwyczajniej w świecie natychmiast wyparuje.

Stellarator służący do fuzji termojądrowej

Tęgie głowy przedstawiły kilka projektów, które z lepszym lub gorszym skutkiem próbujemy urzeczywistnić. Najpopularniejszym i bodaj najstarszym pomysłem pozostaje wykorzystanie pułapki magnetycznej. Rozpalona przez prąd elektryczny, zjonizowana plazma jest trzymana w silnym uścisku pola magnetycznego, nie mając fizycznej styczności ze ścianami komory o kształcie obwarzanka. Sztuczka ta znalazła zastosowanie w tokamakach, wymyślonych w Związku Radzieckim już pół wieku temu. Inna opcja wydaje się skuteczniejsza, ale znacznie trudniejsza do zastosowania w przemyśle. Polega ona na wystrzeleniu w kierunku maleńkiej grudki paliwa termojądrowego, wiązki lasera. Oczywiście nie byle jakiego lasera, lecz potężnego działa wypełniającego sporej wielkości halę, zdolnego rozżarzyć materię do temperatury stu milionów stopni. Grudka ulega natychmiastowemu wyparowaniu, ale powstała w ułamku sekundy energia może zostać odebrana i przekazana dalej.

Mamy wreszcie stellaratory, zasadniczo będące wariacją tokamaków. Tu również wodór ma być utrzymywany w pułapce magnetycznej, ale sformowany w kształt wstęgi Möbiusa a nie torusa (jak na powyższym gifie); i rozpalany nie prądem a mikrofalami. Wszystko w celu absolutnej optymalizacji procesu termojądrowego. Starsze tokamaki, jak brytyjski JET, uzyskiwały moc kilkunastu megawatów po wcześniejszym zużyciu kilkuset. Obecnie oczy całego świata zwrócone są ku wzniesionemu we Francji reaktorowi ITER oraz będącemu na ukończeniu stellaratorowi Wendelstein 7-X w niemieckim Greifswaldzie.

Wydatki idące w miliardy euro, niemal dwie dekady projektowania, zaangażowanie rządów i naukowców z kilkunastu państw na całym świecie, nie pozostawiają wątpliwości: wierzymy w nową rewolucję energetyczną i, że znajduje się ona w naszym zasięgu. Ekipa W7-X niedawno pochwaliła się otrzymaniem pierwszej plazmy, ITER ruszy pełną parą w ciągu najbliższych lat. Synteza termojądrowa to już nie melodia dalekiej przyszłości, lecz perspektywa najbliższego dziesięciolecia. 

Literatura uzupełniająca:
J. Al-Khalili, Kwanty. Przewodnik dla zdezorientowanych, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
K. Ford, 101 kwantowych pytań. Wszystko co chcielibyście wiedzieć o świecie, którego nie widać, przeł. J. Szajkowska, Warszawa 2012;
M. Kaku, Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku, przeł. K. Pesz, Warszawa 2010;
What is Fusion?, [online: http://fusionforenergy.europa.eu/understandingfusion/];
‘Stellarator’ reactor to be turned on for first time, [online: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3290389/Stellarator-reactor-turned-time-Strange-twisted-design-finally-make-fusion-power-reality-say-scientists.html].
7 faktów o radzieckim programie kosmicznym Detektyw Feynman i katastrofa Challengera 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o Planecie X