W dzisiejszych czasach nasza cywilizacja: rozwój infrastruktury, komunikacji, czy przemysłu powoduje ciągłe zwiększanie zapotrzebowania na energię. W chwili obecnej większość źródeł produkcji energii opiera się na surowcach nieodnawialnych, takich jak: ropa naftowa, węgiel i inne paliwa kopalne. Trzeba mieć na uwadze, że kiedyś nadejdzie moment wyczerpania się zasobów tych surowców, dlatego już dzisiaj trwają prace i poszukiwania alternatywnych sposobów pozyskiwania energii. […] Ludzkość pracuje więc nad innym sposobem wytwarzania energii. Źródłem ogromnej energii jest „nasze” Słońce, na którym zachodzi reakcja syntezy jądrowej, w wyniku której uwalniana jest energia reakcja ta polega na łączeniu się ze sobą lżejszych jąder atomowych i powstawaniu w ten sposób cięższych jąder. Energia wytwarzana w jądrze pochłaniana jest przez tak zwane fotony, które wędrują z jądra Słońca do jego powierzchni. Wędrówka ta trwa 10 000 – 170 000 lat. Fotony trafiają ze Słońca na Ziemię, dostarczając nam energii niezbędnej do życia. Naukowcy pracują nad stworzeniem specjalnych reaktorów, w których odtworzona byłaby taka sama reakcja syntezy, jaka zachodzi w Słońcu. Jest to koncepcja elektrowni fuzyjnej. Badacze próbują w warunkach ziemskich odtworzyć reakcje zachodzące wewnątrz Słońca.

Przeprowadzane próby dotyczą łączenia jąder dwóch ciężkich izotopów wodoru – deuteru i trytu. W wyniku reakcji powstaje jądro helu i neutron, posiadający nadwyżkę energii. Jednakże reakcja ta zachodzi w bardzo wysokiej temperaturze – około 150 mln stopni Celsjusza, w wysoko zjonizowanym gazie, zwanym plazmą. Wysoka energia wewnątrz plazmy musi być utrzymywana bardzo długo, aby synteza ta mogła zachodzić.

Proces będzie ekonomiczny, gdy energia uzyskana z fuzji będzie wyższa od energii potrzebnej do utrzymania plazmy w odpowiedniej temperaturze. Zaletą procesu reakcji termojądrowej jest fakt, że nie wywołuje ona reakcji łańcuchowej. W związku z tym proces można w każdej chwili zatrzymać, wystarczy odciąć dostawę „paliwa”. Próby robione są w urządzeniach zwanych tokamakami. Plazma jest zamknięta w próżniowej komorze w kształcie obwarzanka. By ogrzać ją do temperatury 150 mln stopni, musi być trzymana z dala od ścian komory. Robi się to za pomocą silnego pola magnetycznego, generowanego przez zwoje nawinięte wokół komory. Plazma nie przylega do ścian komory, ponieważ posiada naładowane cząstki. Jedną z metod ogrzania plazmy do tak wysokiej temperatury jest przepuszczanie przez nią wysokich prądów elektrycznych. Jednocześnie plazmę podgrzewa się za pomocą wstrzykiwania wiązek mikrofal oraz strumieni cząstek neutralnych.

Badania nad tokamakiem były przeprowadzanie w Culham Science Centre w Wielkiej Brytanii. Pracujący tam tokamak JET (Joint European Torus) spełnia wszystkie warunki do zaistnienia syntezy termojądrowej w plazmie. Nie jest on jednak urządzeniem ekonomicznym, ponieważ moc wyjściowa dla niego wynosi 16 MW i jest ona niższa od mocy potrzebnej do utrzymania plazmy w temperaturze koniecznej do syntezy – 25 MW. Bardziej obiecującym tokamakiem jest ITER (International Tokamak Experimental Reactor), który ma zostać wybudowany w Cadarache na południu Francji. Jego moc wyjściowa ma być 10 razy większa od mocy potrzebnej do ogrzania plazmy – wynosić powinna 500 MW. Jest to drugi najdroższy na świecie program badawczy. W projekcie uczestniczą finansowo i naukowo: Unia Europejska, Japonia, Rosja, Stany Zjednoczone, Chiny (od 2003),Korea Południowa (od 2003) i Indie (od 2005). Przed przystąpieniem do programu Indii zakładano, że Unia Europejska pokryje 50% kosztów jego budowy, a pozostałe strony po 10% każda w formie komponentów.

Zastosowana technologia, polegająca na wytwarzaniu pola magnetycznego, ma być oparta na nadprzewodnictwie. Problemem, z którym zetknięto się przy budowie tokamaku, jest jednak użycie radioaktywnego trytu. Planuje się, że w przyszłych elektrowniach tryt będzie produkowany w samym reaktorze, w zamkniętym cyklu. Wnętrze komory plazmowej będzie napromieniowywane podczas pracy reaktora z powodu powstałych w fuzji jądrowej neutronów. Dzięki użyciu odpowiednich materiałów można ten proces zminimalizować, a radioaktywne odpady będą poddawane recyklingowi na okres 100 lat z powodu krótkiego czasu połowicznego rozpadu. ITER ma być ostatnim testowym tokamakiem, który dzięki badaniom w IFMIF (International Materials Irradiation Facility, czyli międzynarodowym programie naukowym, stworzonym do testowania materiałów zdatnych do użycia w elektrowni termojądrowej) ma zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność przyszłych elektrowni opartych na syntezie jądrowej. Koszty tych badań są olbrzymie – wynoszą około 5 miliardów euro dla ITER oraz około 1 miliard dla IFMIF. Naukowcy twierdzą jednak, że dzięki tym badaniom pierwsza elektrownia oparta na syntezie jądrowej powstanie za 30 lat.

Wobec budowy tokamaków podnoszą się również głosy krytyki. Greenpeace obawia się, że energia fuzyjna jest tak samo niebezpieczna, jak energia atomowa, ponieważ w jej wyniku powstają radioaktywne odpady. Inni zarzucają, że program jest o wiele za drogi, a zyski będzie można uzyskać dopiero za 30-50 lat. Wskazują tez, że w chwili obecnej istnieją bardziej ekonomiczne metody na pozyskiwanie energii. Elektrownie mogą okazać się również niepraktyczne z powodów technicznych. Wysoko energetyczne neutrony mogą powodować bardzo szybkie zużywanie się tokamaka poprzez napromieniowanie całej konstrukcji.

Zwolennicy podkreślają jednak, że elektrownie fuzyjne będą produkowały mniej niż 0,01 odpadów niż tradycyjne elektrownie atomowe i nie będą wytwarzały izotopów radioaktywnych o długim czasie rozpadu. Ponadto nie ma obawy zajścia niekontrolowanej reakcji, gdyż ilość paliwa, jaka znajduje się w komorze reaktora, wystarcza na podtrzymanie reakcji najwyżej przez minutę. Zastosowanie metody fuzji na skalę masową pozwoli zaś na wytwarzanie energii bez zanieczyszczenia środowiska i umożliwi całkowitą rezygnację z elektrowni zasilanych paliwami konwencjonalnymi.

Dawid Kwiatoń

 

 

Bibliografia:


  1. http://pl.wikipedia.org/wiki/Tokamak

  2. http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/zal1/pzMS/students/2001-2002/Tefelski/synteza/tokamaki.html

  3. http://www.benchmark.pl/testy_i_recenzje/iter-miedzynarodowy-eksperymentalny-reaktor-termojadrowy-opis.html

Dowiedz się więcej