TylkoGliwice Next zagląda za kulisy największego na świecie urządzenia do syntezy jądrowej, próbując wykorzystać tę samą reakcję, która napędza Słońce i gwiazdy.
W sercu Prowansji najwybitniejsze umysły naukowe na świecie przygotowują grunt pod tak zwany największy i najbardziej ambitny eksperyment naukowy na świecie.
„Budujemy prawdopodobnie najbardziej złożoną maszynę, jaką kiedykolwiek zaprojektowano” – zwierzył się Laban Coblentz.
Naszym zadaniem jest wykazanie wykonalności wykorzystania syntezy jądrowej – tej samej reakcji, która napędza nasze Słońce i gwiazdy – na skalę przemysłową.
W tym celu na południu Francji budowana jest największa na świecie magnetyczna komora zamykająca, czyli tokamak, która ma wytwarzać energię netto.
Umowa dotycząca projektu międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego (ITER) została formalnie podpisana w 2006 r. przez Stany Zjednoczone, UE, Rosję, Chiny, Indie i Koreę Południową w Pałacu Elizejskim w Paryżu.
Obecnie ponad 30 krajów współpracuje przy budowie eksperymentalnego urządzenia, które po ukończeniu ma ważyć 23 000 ton i wytrzymać temperatury do 150 milionów°C.
„W pewnym sensie przypomina to laboratorium krajowe, duży instytut badawczy. Ale tak naprawdę jest to połączenie laboratoriów krajowych z 35 krajów” – powiedział TylkoGliwice Next Coblentz, szef ds. komunikacji ITER.
Jak działa synteza jądrowa?
Fuzja jądrowa to proces, w wyniku którego dwa lekkie jądra atomowe łączą się, tworząc jedno cięższe, powodując ogromne uwolnienie energii.
W przypadku Słońca atomy wodoru w jego jądrze łączą się pod wpływem samego ciśnienia grawitacyjnego.
Tymczasem tu, na Ziemi, badane są dwie główne metody generowania syntezy jądrowej.
„Pierwszy, mogłeś usłyszeć w National Ignition Facility w USA” – wyjaśnił Coblentz.
„Bierze się bardzo, bardzo małą cząstkę – wielkości ziarnka pieprzu – dwóch form wodoru: deuteru i trytu. I strzela się w nie laserami. Robi się więc to samo. Niszczy się także ciśnienie jako dodanie ciepła i następuje eksplozja energii, E = mc². Niewielka ilość materii zamienia się w energię”.
Projekt ITER koncentruje się na drugiej możliwej drodze: syntezie magnetycznej.
„W tym przypadku mamy bardzo dużą komorę, 800 m3, do której wlewamy bardzo małą ilość paliwa – 2 do 3 g paliwa, deuteru i trytu – i dzięki różnym systemom grzewczym uzyskujemy temperaturę do 150 milionów stopni – powiedział Laban.
„To temperatura, w której prędkość tych cząstek jest tak duża, że zamiast odpychać się ładunkiem dodatnim, łączą się i łączą. A kiedy się łączą, wydzielają cząstkę alfa i neutron”.
W tokamaku naładowane cząstki są ograniczone przez pole magnetyczne, z wyjątkiem wysokoenergetycznych neutronów, które uciekają i uderzają w ścianę komory, przekazując swoje ciepło, a tym samym podgrzewając wodę przepływającą za ścianą.
Teoretycznie energia byłaby wykorzystywana przez powstającą parę napędzającą turbinę.
„To, jeśli wolicie, następca długiej linii urządzeń badawczych” – wyjaśnił Richard Pitts, kierownik sekcji działu naukowego ITER.
„Fizyką tokamaków zajmujemy się w tej dziedzinie od około 70 lat, odkąd zaprojektowano i zbudowano pierwsze eksperymenty w Rosji w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku” – dodał.
Według Pittsa wczesne tokamaki były małymi urządzeniami stołowymi.
„Następnie stopniowo stają się coraz większe i większe, ponieważ wiemy – z naszej pracy nad tymi mniejszymi urządzeniami, naszych badań nad skalowaniem od małych do większych – że aby wytworzyć z tych rzeczy moc netto syntezy jądrowej, musimy trzeba zrobić taki duży jak ten” – powiedział.
Zalety fuzji
Elektrownie jądrowe istnieją już od lat pięćdziesiątych XX wieku i wykorzystują reakcję rozszczepienia, podczas której atom jest rozszczepiany w reaktorze, uwalniając w tym procesie ogromną ilość energii.
Rozszczepienie ma tę wyraźną zaletę, że jest już ustaloną, wypróbowaną i przetestowaną metodą, w której obecnie na całym świecie działa ponad 400 reaktorów rozszczepienia jądrowego.
Ale choć katastrofy nuklearne zdarzały się rzadko w historii, katastrofalne stopienie reaktora nr 4 w Czarnobylu w kwietniu 1986 roku wyraźnie przypomina, że nigdy nie są one całkowicie wolne od ryzyka.
Co więcej, reaktory rozszczepialne muszą także zmagać się z bezpiecznym gospodarowaniem ogromnymi ilościami odpadów radioaktywnych, które zazwyczaj są zakopywane głęboko pod ziemią w składowiskach geologicznych.
Z kolei ITER zauważa, że elektrownia termojądrowa o podobnej skali wytwarzałaby energię ze znacznie mniejszej ilości środków chemicznych, zaledwie kilku gramów wodoru.
„Efekty bezpieczeństwa nie są nawet porównywalne” – zauważył Coblentz.
„Masz tylko 2–3 g materiału. Co więcej, materiał w instalacji termojądrowej, deuter i tryt, a także materiał wychodzący, nieradioaktywny hel i neutron, są wykorzystywane. Zatem nie ma resztek , że tak powiem, a zapas materiałów radioaktywnych jest niezwykle, niezwykle mały” – dodał.
Niepowodzenia w projekcie ITER
Coblentz podkreśla, że wyzwanie związane z syntezą jądrową polega na tym, że reaktory jądrowe są nadal niezwykle trudne w budowie.
„Próbujesz podnieść temperaturę do 150 milionów stopni. Próbujesz nadać jej odpowiednią skalę itd. To po prostu trudne zadanie” – powiedział.
Z pewnością projekt ITER borykał się ze złożonością tego gigantycznego przedsięwzięcia.
W pierwotnym harmonogramie projektu ITER datą dostawy pierwszej plazmy był rok 2025, a pełne uruchomienie systemu zaplanowano na rok 2035.
Jednak awarie komponentów i opóźnienia związane z Covid-19 doprowadziły do przesunięcia harmonogramu uruchomienia systemu i konieczności dostosowania go do rosnącego budżetu.
Początkowy koszt projektu szacowano na 5 miliardów euro, ale wzrósł on do ponad 20 miliardów euro.
„Już wcześniej napotykaliśmy wyzwania po prostu ze względu na złożoność i mnogość jedynych w swoim rodzaju materiałów, pierwszych w swoim rodzaju komponentów w pierwszej w swoim rodzaju maszynie” – wyjaśnił Coblentz.
Istotną porażką były niewspółosiowości powierzchni spawalniczych segmentów komory próżniowej wyprodukowanych w Korei Południowej.
„Te, które dotarły, wykazały na tyle niezgodności na krawędziach w miejscu ich zespawania, że musimy je ponownie wykonać” – powiedział Coblentz.
„W tym konkretnym przypadku nie chodzi o fizykę jądrową. To po prostu obróbka skrawaniem i uzyskiwanie rzeczy z niewiarygodną precyzją, co było trudne” – dodał.
Coblentz twierdzi, że projekt jest obecnie zaangażowany w proces zmiany kolejności, w nadziei, że uda mu się jak najbliżej osiągnięcia celu na rok 2035 dotyczącego rozpoczęcia operacji termojądrowych.
„Zamiast skupiać się na datach poprzedzających wyprodukowanie pierwszej plazmy, pierwszy test maszyny w 2025 r., a następnie serię czterech etapów prowadzących do uzyskania energii termojądrowej początkowo w 2035 r., po prostu pominiemy pierwszą plazmę. upewnij się, że testy zostaną przeprowadzone w inny sposób, abyśmy mogli jak najbardziej dotrzymać tego terminu” – powiedział.
Współpraca międzynarodowa
Jeśli chodzi o współpracę międzynarodową, ITER jest czymś w rodzaju jednorożca, ponieważ oparł się wiatrom napięć geopolitycznych między wieloma krajami zaangażowanymi w projekt.
„Te kraje nie zawsze są powiązane ideologicznie. Jeśli spojrzeć na flagi funkcyjne Alphabetu umieszczone w miejscu pracy, Chiny sąsiadują z Europą, a Rosja ze Stanami Zjednoczonymi” – zauważył Coblentz.
„Nie było pewności, czy te kraje zobowiążą się do wspólnej pracy na 40 lat. Nigdy nie będzie pewności, że nie będzie konfliktów”.
Coblentz przypisuje względny dobry stan projektu faktowi, że uruchomienie syntezy jądrowej jest wspólnym marzeniem pokoleń.
„To właśnie łączy tę siłę. I dlatego przetrwała obecne sankcje, które Europa i inne kraje nałożyły na Rosję w obecnej sytuacji z Ukrainą” – dodał.
Zmiany klimatyczne i czysta energia
Biorąc pod uwagę skalę wyzwań, jakie stanowią zmiany klimatyczne, nic dziwnego, że naukowcy ścigają się w poszukiwaniu bezemisyjnego źródła energii, które mogłoby zasilić nasz świat.
Jednak zapewnienie obfitych dostaw energii termojądrowej jest wciąż odległą perspektywą i nawet ITER przyznaje, że ich projekt stanowi długoterminową odpowiedź na problemy energetyczne.
W odpowiedzi na pogląd, że synteza termojądrowa nadejdzie za późno, aby w znaczący sposób pomóc w walce z kryzysem klimatycznym, Coblentz twierdzi, że energia termojądrowa może odegrać rolę w dalszej przyszłości.
„Jeśli rzeczywiście poziom morza podniesie się do tego stopnia, że zaczniemy potrzebować zużycia energii do poruszania się miastami? Jeśli zaczniemy dostrzegać wyzwania energetyczne na taką skalę, odpowiedź na pańskie pytanie stanie się naprawdę oczywista” – powiedział.
„Im dłużej czekamy na dostawę syntezy termojądrowej, tym bardziej jej potrzebujemy. Zatem mądrze jest: dostarczyć ją tutaj tak szybko, jak to możliwe”.
Więcej informacji na temat tej historii można znaleźć w filmie w odtwarzaczu multimedialnym powyżej.
