Poland

Fuzja (synteza) jądrowa oznacza połączenie dwóch lekkich jąder atomowych w jedno, cięższe jądro. Fuzja, lub reakcje termojądrowe lekkich jąder są typowymi reakcjami, które zachodzą w Słońcu i innych gwiazdach. Istotnie, w Słońcu, w każdej sekundzie, 657 milionów ton wodoru ulega syntezie do 653 milionów helu. Różnica mas, wynosząca 4 miliony ton, przekształca się w promieniowanie - Słońce świeci właśnie dzięki temu. Warunki ekstremalnej temperatury i wysokiego ciśnienia wytwarzają stan wysoce zjonizowanej materii zwanej plazmą, utrzymywanej siłami grawitacyjnymi.

Reakcja fuzji, w której emitowana jest względnie duża ilość energii (27,7 MeV), polega na reakcji syntezy czterech protonów w jądro helu (cząstkę alfa). Ponieważ w tej reakcji syntezie ulegają izotopy wodoru, a wodór jest praktycznie wszędzie wokół nas, idea otrzymania energii z fuzji wodoru jest niesłychanie atrakcyjna: oferuje ona, jak się wydaje, nieograniczone źródło energii dla przyszłych pokoleń!

Reakcje fuzji, jednakże, nie jest łatwo wywołać na Ziemi. Należy tu pamiętać, że temperatury wymagane dla zajścia reakcji są nadzwyczaj wysokie, z reguły rzędu setek milionów kelwinów. I gdy już wytworzy się gorącą plazmę, jej utrzymanie bynajmniej nie jest trywialną rzeczą.

Poniżej podajemy listę reakcji fuzji lekkich jąder, które można brać pod uwagę dla zastosowań praktycznych:

D + D T + H + 4,04 MeV
D + D 3He + n+ 3,27 MeV
D + T 4He + n + 17,58 MeV
D + 3He 4He + p + 18,7 MeV
T + T 4He + 2n + 11,3 MeV
H + 6Li 4He + 3He + 3,9 MeV
H + 11B 3(4He) + 8,68 MeV
D + 6Li 2(4He) + 22,3 MeV

By zainicjować reakcję fuzji należy przezwyciężyć odpychanie kulombowskie pomiędzy jądrami. Z tego powodu muszą mieć one wysokie (od kilku do kilkuset keV) początkowe energie kinetyczne. Jest łatwą rzeczą przyspieszyć cząstki do wysokich energii, ale energia potrzebna dla pracy akceleratorów znacznie przekracza energię otrzymaną dzięki fuzji. Praktyczną więc rzeczą jest inne podejście: energia kinetyczna reagujących jąder może wynikać z wysokiej temperatury ich gazu. W temperaturach dziesiątków, setek lub milionów stopni elektrony są oddzielane od atomów, tak więc reagujące jądra znajdują się w stanie gorącej plazmy. Z tego względu właśnie mówimy o reakcjach termojądrowych.

Głównym problemem technicznym jest wytworzenie warunków wysokiej temperatury i ciśnienia w zjonizowanym gazie oraz utrzymanie plazmy w jakimś otoczeniu przez czas wystarczająco długi, aby móc zapoczątkować fuzję, a więc i emisję energii. Gdy takie warunki będą spełnione i zajdzie wystarczająco duża liczba reakcji syntezy jądrowej, warunki staną się samo-podtrzymujące, co oznacza, że dostawa świeżego paliwa powinna wytwarzać ciągłą produkcję energii.

Warunkiem koniecznym dla uwolnienia energii z reaktora termojądrowego jest spełnienie tzw. kryterium Lawsona, które mówi, że iloczyn gęstości jąder w plazmie i czas utrzymania plazmy we właściwej temperaturze zapłonu musi przekraczać pewną wartość krytyczną. Np. w wypadku fuzji D-T:

neτE ≥ 1.5 × 1020 s/m3

Konieczność wysokiej temperatury implikuje, że plazma nie może znajdować się w kontakcie z materiałem ścian i dlatego dla utrzymania plazmy należy opracować specjalne metody.

Istnieją trzy metody utrzymywania plazmy: grawitacyjna, magnetyczna i inercyjna. Utrzymywanie plazmy w gwiazdach zawdzięczamy polu grawitacyjnemu, wytwarzającemu wystarczająco wysokie ciśnienie. Tego rodzaju utrzymywanie plazmy nie da się jednak zrealizować na Ziemi. Zamiast tego można wykorzystać silne pole magnetyczne jako pułapkę dla plazmy w metodzie pułapek magnetycznych lub w czymś, nazywanym utrzymywaniem inercyjnym, w którym kulki materiału (pelety) z wodorem będą ściskane albo silnym promieniowaniem laserowym albo wiązką cząstek.

W wypadku utrzymywania magnetycznego, gdzie gęstość cząstek jest większa niż około 1020/m3, czas utrzymania wynikający z kryterium Lawsona, musi być dłuższy od 1 s. Dla przykładu, w wypadku utrzymywania inercyjnego, typowa gęstość plazmy wynosi ≈ 1031/m3, a czas utrzymania musi być rzędu 10-11s.

Z punku widzenia praktycznych zastosowań, najbardziej prawdopodobną reakcją jest fuzja deuteru i trytu D + T → 4He + n + 17,58 MeV, choć rozpatruje się także reakcję deuter-deuter. Deuter łatwo znaleźć w wodzie (30 gramów na metr sześcienny). Tryt jednak należy wyprodukować albo w reaktorze jądrowym albo z litu w reaktorze termojądrowym - pierwiastka znajdującego się w dużych ilościach w skorupie ziemskiej.

Reakcję tę można urzeczywistnić przy użyciu względnie grubego (około 1 m) płaszcza litowego, zawierającego także beryl, otaczającego rdzeń reaktora. Uwalniana energia ogrzewa płaszcz co zapoczątkowuje konwencjonalną generację energii. Rola berylu polega na utrzymywaniu w układzie wystarczającej ilości neutronów.

Ruch cząstek posiadających ładunek elektryczny jest kontrolowany przez zewnętrzne pole magnetyczne. W zamkniętym układzie magnetycznego utrzymywania plazmy, zwanym reaktorem typu Tokamak, grzeje się i utrzymuje plazmę (np. D-T) o gęstości do 1021 cząstek na metr sześcienny. Pole magnetyczne jest dobrane tak, aby cząstki utrzymać z dala od ścian urządzenia. W innym przypadku plazma by się natychmiast "ochłodziła" a reakcje fuzji ustały.

Oprócz bardzo wysokiej temperatury, ciśnienie magnetyczne utrzymujące plazmę również budzi zaskoczenie. Przy gęstości cząsteczek w ciśnieniu atmosferycznym (około 1027 cząstek na metr sześcienny) i energii termicznej 10 keV, ciśnienie magnetyczne musi przewyższać 108 hPa. Cewki pola i ich mechaniczne podpory nie mogą wytrzymać takiego ciśnienia! Aby obniżyć ciśnienie, należy zmniejszyć gęstość cząstek. Aby teraz spełnić kryterium Lawsona, należy utrzymywać plazmę wysokotemperaturową przez dłuższy czas.

Najbardziej efektywne pole magnetyczne okazało się mieć kształt toroidalny. Komora reaktora ma kształt amerykańskiego pączka i tworzy zamkniętą "butelkę magnetyczną". W rzeczywistości, dla zapewnienia stabilności plazmy, linie pola magnetycznego stanowią ścieżkę śrubową. Utrzymywanie pola tego rodzaju jest stosowane w urządzeniach znanych jako tokamaki, stellaratory i odwrócone pole pinchu (RFP).

W tokamaku mamy serię cewek ułożonych wokół komory o kształcie torusa. Rdzeń transformatora przechodzi przez środek Tokamaka, podczas gdy prąd plazmowy tworzy obwód wtórny. Prostopadłe pole magnetyczne (poloidalne) jest indukowane zarówno wewnętrznie przez prąd płynący przez plazmę, jak i zewnętrznie przez cewki pola poloidalnego ustawione wokół obwodu komory.

Za zezwoleniem: EFDA
Prąd ten grzeje również plazmę do wymaganej temperatury około 10 milionów K. Ideę tokamaka zawdzięczamy fizykom rosyjskim, Andriejowi Sacharowowi i Igorowi Tammowi. Główną wadą tokamaków są względnie wąskie obszary wartości parametrów, przy których to urządzenie może pracować. Największym, jak dotąd, zbudowanym tokamakiem jest Joint European Torus (JET).

W stellaratorze, warunki utrzymywania plazmy są zależne od natężenia prądów płynących na zewnątrz plazmy. Śrubowe linie pola magnetycznego w stellaratorach wytwarzane są przez serię cewek, które same mają kształt śrubowy

Credits: LHD
Największy stellarator - Large Helical Device (LHD), pokazany po lewej stronie, rozpoczął pracę w roku 1998 w Japońskim Narodowym Instytucie Badań nad Fuzją (Japan’s National Institute of Fusion Research). Ponieważ w stellaratorach nie wzbudza się prądów wewnątrz plazmy, grzanie plazmy musi być osiągane innymi sposobami, np. przy wykorzystaniu promieniowania elektromagnetycznego dostarczanego do plazmy. Taką technikę zastosowano w Greiswaldzie w Niemczech. Stellaratory są podobne do tokamaków jeśli chodzi o magnetyczne pola toroidalne i poloidalne. Natężenia prądów elektrycznych są tu jednak znacznie większe, a ponadto kierunek pola toroidalnego w plazmie odwraca się na krawędzi plazmy. Taki układ pracuje obecnie m.in. w Padwie (Włochy).

Technika inercyjnego utrzymywania fuzji (od ang. Iinertial Confinement Fusion - ICF) opiera się na wykorzystaniu peletu D-T, gwałtowanie podgrzewanego w celu osiągnięcia temperatury i ciśnienia potrzebnego dla powstania plazmy.

za zezwoleniem: ITER
Wspomniany cel jest osiągany poprzez ściśnięcie peletu dzięki bombardowaniu go silnymi, dobrze zogniskowanymi wiązkami światła z lasera. W takich warunkach powierzchnia peletu odparowuje i tworzy koronę plazmową. Plazma rozszerza się i wytwarza front kompresji biegnący do środka, który skutkuje implozją wywołującą natychmiastową reakcję fuzji.

Najbardziej zaawansowanym systemem fuzyjnym opartym na utrzymaniu inercyjnym jest NOVA w Lawrence Livermore Laboratory, USA. Badacze z NOVA pokazali, że pod wpływem ściskania (kompresji) można osiągnąć gęstości 600 razy większe niż w ciekłej mieszanininie D-T i 20 razy większe niż gęstość ołowiu.

Program Joint European Torus (JET) rozpoczęto w Unii Europejskiej w roku 1978. Głównym jego celem było przeprowadzenie testów warunków fuzji, fizyki plazmy i stabilności. Na miejsce budowy JETa wybrano Culham w Wielkiej Brytanii.

Za zezwoleniem:ITER
JET jest w istocie największym tokamakiem, jaki został dotąd zbudowany. Swoją działalność rozpoczął w 1983 roku, a pierwsza kontrolowana reakcja fuzji została wywołana w listopadzie 1991 r. Rekordową moc 16 MW osiągnięto przez 1 sekundę w 1997 r. na paliwie z mieszaniny deuter-tryt. Eksperyment JET pokazał, że kontrolowana fuzja jest możliwa.

Następcą JETa jest ITER - międzynarodowy projekt badawczy i inżynieryjny, w ramach którego powstaje w Cadarache, Francja, największy eksperymentalny tokamakowski reaktor termojądrowy. Projekt ITER ma na celu długo oczekiwane przejście od badań doświadczalnych z zakresu fizyki plazmy do pełnoskalowej elektrowni działającej w oparciu o fuzję.

National Ignition Facility (NIF), umiejscowione w Kalifornii, USA, jest największym na świecie laserem o największej energii. Jednym z jego celów jest osiągniecie po raz pierwszy fuzji i energii w warunkach laboratoryjnych - w istocie rzeczy, stworzenie miniaturowej gwiazdy na Ziemi.

NIF wykorzystuje lasery wielkiej mocy do grzania i kompresji niewielkich ilości wodoru do momentu, w którym zachodzą reakcje fuzji. NIF jest największym ze zbudowanych dotąd na świecie urządzeniem ICF o wielkiej energii i pierwszym, o którym się sądzi, że osiągnie długo szukane warunki "zapłonu", w wyniku którego wytworzy się większa energia niż włożona w rozpoczęcie reakcji. Misją urządzenia jest osiągnięcie w laboratorium fuzji jądrowej z dużym zyskiem energii, a także wsparcie budowy i konserwacji broni jądrowej przez badanie zachowania się materii w warunkach tworzonych w broni jądrowej.

Ekstremalne temperatury i ciśnienia tworzone wewnątrz komory NIF pozwala uczonym na prowadzenie bezprecedensowych eksperymentów w nauce o zachowaniu się materii w warunkach wysokiej gęstości i zdobycie wglądu w takie zjawiska jak supernowe, gigantyczne planety (olbrzymy) i czarne dziury.

Reakcja fuzji jest w pewnym sensie reakcją odwrotną do rozszczepienia. W wypadku tej ostatniej, jądra o mniejszych masach tworzone są z cięższego jądra, a suma mas produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy ciężkiego jądra. W wypadku fuzji, masa cięższego jądra jest mniejsza od sumy mas początkowych jąder wchodzących w fuzję.

Łatwo stwierdzić, że dla zainicjowania reakcji fuzji, względne energie zderzających się jąder (pamiętajmy, że są one dodatnio naładowane!) muszą być duże, aby przezwyciężyć odpychanie kulombowskie. Dlatego, dla utworzenia jądra helu np. z fuzji deuteru i trytu, paliwo musi znajdować się w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia.

W opisanej reakcji powstaje neutron o wysokiej energii kinetycznej, którą traci podczas procesu spowalniania. Energia ta może być przetwarzana na ciepło aby utworzyć parę, która może kolejno uruchamiać turbinę parową, a ta generator prądu. Neutrony produkowane w reakcjach fuzji mogą być również wykorzystane dla produkcji paliwa jądrowego ze zubożonego uranu, tj. uranu zawierającego mniej 235U niż uran naturalny (0,72%).

Około jeden na 6000 atomów wodoru wokół nas (włączając wodór w wodzie) jest atomem deuteru. Taka zawartość deuteru stanowi mocną zachętę do stworzenia pewnego typu instalacji do reakcji fuzji, gdyż ta mogłaby dostarczyć rodzajowi ludzkiemu energii przez miliardy lat!

Dla porównania: aby wyprodukować 1 GW-rok energii elektrycznej potrzeba w wypadku rozszczepienia około 35 ton UO2 a w wypadku fuzji - około 1000 kg deuteru plus 150 kg trytu. Inną przyczyną atrakcyjności fuzji jest niemal całkowity brak promieniotwórczych odpadów. W szczególności, żaden z produktów reakcji w reaktorze termojądrowym nie nadaje się do wykorzystania w broni jądrowej. Ponadto, w odróżnieniu od reaktorów jądrowych wykorzystujących proces rozszczepienia, wybuch instalacji jest praktycznie niemożliwy: gdyby coś takiego było możliwe, plazma by się rozszerzyła i schłodziła, co by skutkowało zatrzymaniem procesu fuzji.

Nie oznacza to, że nie ma żadnego ryzyka w operowaniu reaktorami pracującymi w oparciu o reakcję fuzji. W szczególności należy pamiętać o produkowanych w dużych ilościach neutronach i o promieniotwórczym trycie. Obecność ciekłych soli litowych i rakotwórczego berylu mogłoby również stanowić problem.

Podobnie jak w wypadku reaktorów pracujących w oparciu o reakcję rozszczepienia, w reaktorach termojądrowych tworzy się bardzo wiele promieniowania jonizującego (neutronowego w szczególności). Można zatem oczekiwać, że jednym z głównych problemów będzie kwestia osłon przed promieniowaniem produkowanym w całej instalacji. Niebezpieczeństwo związane z możliwą awarią układu magnetycznego, który zawiera ogromne ilości energii, musi być poważnie rozpatrywane. W roku 1992 powstał zespół o nazwie European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). Celem zespołu była praca nad projektowaniem reaktorów wykorzystujących reakcję fuzji, rozpatrywanie ich warunków bezpieczeństwa i ocena ich wpływu na środowisko. Zgodnie z ocenami tego zespołu, główna przewaga korzystania z fuzji a nie rozszczepienia polega na tym, że w najgorszym scenariuszu uwolnienie promieniowania nigdy nie będzie tak duże, aby wymusiło ewakuację ludzi z domów. Ponadto, odpady promieniotwórcze produkowane w reaktorach termojądrowych ulegają szybko rozpadowi promieniotwórczemu i nie wymagają odizolowywania ich od otoczenia. Problemem szczególnym jest możliwe uwalnianie się trytu do środowiska. Tryt jest gazem promieniotwórczym o dużej przenikalności, łatwo rozpuszczalnym w wodzie i mogącym być groźnym przez długi okres od chwili jego wytworzenia (okres połowicznego zaniku trytu to 12 lat).

Jak dotąd, wszystkie obietnice i nadzieje na produkcję energii okazały się niedojrzałe - dopiero nie tak dawno wyprodukowana energia zrównała się z dostarczoną do układu (wpierw w amerykańskim TFTR i japońskim JT60 oraz w Joint European Torus - JET). Główne wyzwania to: utrzymanie konfiguracji zapewniającą stabilną plazmę, znalezienie materiałów, które wytrzymają intensywne strumienie neutronów, wyekstrahowanie użytecznej energii i wyprodukowanie jej znacznie więcej niż energia włożona.

Za pozwoleniem:ITER
Od 1985 r. największy wysiłek na skomercjonalizowanie energii z fuzji jest położony na ITER. Projekt uzyskał impuls do rozwoju po stworzeniu Organizacji ITER w roku 2007 z Chinami, Unią Europejską, Indiami, Płd. Koreą i USA jako członkami. Budowana obecnie w Cadarache, Francja, instalacja ma cel osiągnięcia mocy 500 MW z czynnikiem zysku energii Q = 5-10 w okresie 30 lat trwania projektu.

Kładzenie fundamentów pod przyszły Budynek Tokamaka - Cadarache, luty 2014.

Niestety, energia termojądrowa (jak i inne formy energii) była już wykorzystywana w celach militarnych w tzw. bombie wodorowej.