Czytaj dalej

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 jądrowa?

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, 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 syntezy 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. 

Synteza 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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.