Słońce na smyczy, czyli jak ujarzmić energię fuzji jądrowej?
Coraz większa groźba katastrofy klimatycznej i związany z nią wymóg ograniczenia emisji dwutlenku węgla stawia konieczność zmian w sektorze produkcji energii elektrycznej opartej w dużej części na paliwach kopalnych. Niestety, obecne alternatywy w postaci odnawialnych źródeł energii nie są jeszcze wystarczająco wydajne, a ilość uzyskanej przez nich energii jest zależna od warunków środowiskowych. Z kolei energia jądrowa nie cieszy się dużym zaufaniem wśród społeczeństwa i wiąże się z produkcją radioaktywnych odpadów. Remedium może okazać się energia pozyskiwana na drodze fuzji jądrowej, nazywanej również „świętym Graalem produkcji energii elektrycznej”.
Fuzja jest procesem odwrotnym do promieniotwórczego rozpadu, na którym opiera się energia jądrowa. Przy stworzeniu sprzyjających warunków lekkie pierwiastki łączą się ze sobą w cięższe, wydzielając przy tym ogromną ilość energii. Naturalnie fuzja zachodzi na Słońcu, generując ilość energii wystarczającej do ogrzania całej drogi mlecznej i naszej planety
Niestety, panujące na Ziemi ciśnienie i temperatura nie są w stanie przezwyciężyć sił elektrostatycznych atomów, uniemożliwiając uzyskiwania energii na drodze ich łączenia.
Z pomocą przychodzi wysoko zaawansowane technicznie reaktory fuzji jądrowej (tzw. Tokamaki), w których wprowadzone paliwo w postaci gazu zostaje pozbawione elektronów, a następnie rozgrzane do temperatury 150 milionów stopni Celsjusza. Wtedy siły elektrostatyczne pierwiastków zostają przezwyciężone, umożliwiając ich łączenie i wydzielenie się ogromnych ilości energii.
Grafika przedstawiająca przekrój przez Tokamak.
Paliwem, które potrzebne jest do napędzenia procesu, są dwie odmiany izotopowe wodoru – deuter (2H) i tryt (3H). Słowo izotop oznacza odmianę pierwiastka, która różni się od niego ilością neutronów, będących jedną z trzech (obok protonu i elektronu) cząstek budujących atom. W ten sposób wodór złożony jest z protonu i elektronu (1H), deuter posiada dodatkowo neutron (2H), a tryt ma dwa dodatkowe neutrony (3H).
W ten sposób zderzenie ich ze sobą generuje powstanie cząsteczka helu (4He), neutron i energia wedle następującego równania:
2H + 3H → 4He + n + energia
Ilość energii uzyskanej z 1 kg paliwa jest cztery razy większa niż z 1 kg uranu oraz cztery miliony razy większa niż ze spalenia 1 kg węgla, a tokamaki nie emitują szkodliwych gazów cieplarnianych oraz nie produkują radioaktywnych odpadów.
Niestety, łyżką dziegciu w beczce miodu jest fakt, że (jak na razie) fuzja jądrowa jeszcze nie jest opanowana. Obecny rekordowy współczynnik Q będący stosunkiem energii zużytej do uzyskanej wynosi 0.67, co przekłada się na 16 MW energii uzyskanej z zużycia 25 MW energii.
Obecnie na świecie nad ujarzmieniem procesu fuzji jądrowej pracuje kilka prywatnych firm współpracujących z naukowcami akademickimi. Na terenie Unii Europejskiej zostało powołane również międzynarodowe przedsięwzięcie ITER skupiające 35 krajów z całego świata. Jego celem jest wymiana obecnej wiedzy oraz zbudowanie ogromnego reaktora fuzji jądrowej, mającego przyczynić się do jak najszybszego opanowania reakcji fuzji i zbudowania konceptu działającej elektrowni.
Czy naukowcom uda się opanować energię fuzji jądrowej i produkować z jej pomocą prąd elektryczny? W jaki sposób Tokamak potrafi wygenerować gaz o temperaturze 150 mln stopni Celsjusza oraz czy można uzyskiwać przy jego pomocy prąd elektryczny? Skąd pozyskać paliwo potrzebne do reakcji?
Jeżeli jedno z powyższych pytań narodziło się Wam w głowie podczas czytania artykułu, to zapraszamy do posłuchania audycji poświęconej energii fuzji jądrowej:
Adrian Patej