Wizualizacja ośrodka ITER (strona internetowa ITER Organization)

Osiemset tysięcy lat temu człowiek zaprzyjaźnił się z ogniem oraz nauczył się go rozniecać i podtrzymywać, stawiając w ten sposób pierwszy krok na drodze do początków cywilizacji. Obecnie ogień wciąż pozostaje głównym źródłem wykorzystywanej codziennie energii – jej najważniejszym dostawcą pozostają elektrownie konwencjonalne, spalające paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Ogniska przyszłości będą jednak wyglądały całkiem inaczej.

Znalezienie źródeł energii, które w przyszłości będą mogły sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu rozwijającej się cywilizacji jest jednym z najważniejszych problemów, które muszą zostać rozwiązane. Z oczywistych powodów, związanych z ograniczonymi zasobami surowców kopalnych oraz z koniecznością ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery, elektrownie konwencjonalne muszą zostać zastąpione przez elektrownie czerpiące energię z procesów innych niż reakcja spalania.

Rozwijająca się energetyka jądrowa, bazująca na elektrowniach atomowych, wykorzystujących reakcję rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich oraz odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrów czy energia słoneczna, stanowią pewną alternatywę, jednak rozwiązaniem wszystkich problemów byłoby opanowanie wydajnych, bezpiecznych i przyjaznych środowisku technologii, wykorzystujących łatwo dostępne „paliwa” o nieograniczonych zasobach. Takim źródłem energii wydaje się być reakcja fuzji jądrowej, w której energia wyzwalana jest w procesie syntezy jąder lekkich atomów.

W gruncie rzeczy, z energii fuzji jądrowej korzystamy od zawsze – stanowi ona bowiem źródło energii gwiazd, w tym również naszego Słońca. Docierający do nas miliardowy ułamek tej energii wystarcza jako siła napędowa całej przyrody i umożliwia życie na Ziemi. We wnętrzu Słońca proces łączenia się jąder wodoru i tworzenia jąder helu, zachodzi w niezwykle wysokiej temperaturze kilkunastu milionów stopni Celsjusza i pod ogromnym ciśnieniem grawitacyjnym. Na Ziemi, gdzie nie mamy do dyspozycji takiego ciśnienia, chcąc wykorzystać fuzję jako źródło energii, musimy uzyskać temperatury w zakresie 100 – 150 milionów stopni! W takich temperaturach materia jest całkowicie zjonizowana, tworząc stan skupienia zwany plazmą i możliwa jest najłatwiejsza reakcja syntezy, jaką można przeprowadzić - synteza dwóch izotopów wodoru – deuteru i trytu. W wyniku tej reakcji powstaje jądro helu, neutron i uwalnia się duża ilość energii.

Zapasy paliwa na Ziemi dla elektrowni wykorzystujących fuzję jądrową są praktycznie nieograniczone. Deuter jest wszędzie – w każdym metrze sześciennym wody jest go około 30 g, a w dodatku jest tani w pozyskaniu. Tryt z kolei, łatwo jest wytworzyć z litu, który jak wiadomo jest jednym z głównych składników skorupy ziemskiej. Paliwa nie zabraknie, a w dodatku potrzeba go bardzo niewiele. Sto kilogramów deuteru i kilka ton litu wystarczają na zaspokojenie potrzeb elektrowni plazmowej o mocy 1GW przez cały rok. Paliwo można więc dowieźć raz w roku jedną ciężarówką, podczas gdy elektrownia węglowa o takiej mocy potrzebuje ponad dwóch milionów ton węgla!

Zalety elektrowni plazmowej na tym się nie kończą. Jedynym produktem syntezy jest przecież hel, nie ma więc emisji dwutlenku węgla ani żadnych zanieczyszczeń środowiska. Opanowanie technologii umożliwiających zastosowanie fuzji jądrowej i wykorzystanie jej na skalę przemysłową dostarczyłoby ludzkości trwałych, bezpiecznych i nieograniczonych źródeł energii. Obecnie wydaje się, że pierwsza elektrownia plazmowa dostarczająca energię komercyjnie może zostać uruchomiona w ciągu najbliższych 35 – 40 lat.

Największe nadzieje wiąże się z reaktorami termojądrowymi, wykorzystującymi urządzenia nazywane tokamakami (z rosyjskiego: ТO - toroidalna komora z cewką magnetyczną). W tokamakach plazma utrzymywana jest z dala od ścian reaktora za pomocą silnego pola magnetycznego. Pozwala to na podgrzanie jej do koniecznej temperatury 100 – 150 milionów stopni i podtrzymanie reakcji fuzji. Jądra helu produkowane w reakcji fuzji unoszą w formie energii kinetycznej około 20% energii wyprodukowanej w czasie reakcji. Energia ta przekazywana jest plazmie, ogrzewając ją. Pozwala to na samopodgrzewanie się plazmy i utrzymanie odpowiedniej temperatury, koniecznej dla procesu syntezy.

Neutrony produkowane w reakcji unoszą 80% wyzwolonej energii. Ponieważ nie mają one ładunku elektrycznego, nie są utrzymywane w polu magnetycznym i trafiają w „blanket” – wyłożenie ścian reaktora, gdzie oddają swoją energię. Przepływające przez blanket medium chłodzące odbiera tę energię i umożliwia jej dalsze wykorzystanie do wytwarzania pary wodnej napędzającej turbiny generatorów prądu.

JET i ITER

Kontrolowana reakcja syntezy została po raz pierwszy przeprowadzona w 1991 roku w tokamaku JET (Joint European Torus) w Culham w Anglii. Kolejnym krokiem jest realizacja projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) tokamaku budowanego w Cadarache na południu Francji. Moc ITERa będzie trzydziestokrotnie większa od mocy JETa, osiągnie 500 MW i będzie prawie taka jak moc elektrowni przemysłowych planowanych jako kolejny etap. ITER ma posłużyć głównie do badania fizyki samopodgrzewajacej się plazmy, testowania nowych technologii, układów nagrzewania, zasilania tokamaku w paliwo, usuwania popiołu helowego i ma umożliwić zaprojektowanie i budowę prototypowej elektrowni DEMO.

Od 3 do 20 listopada w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego można było zwiedzać należącą do EFDA (European Fusion Development Agreement) wystawę „Fusion Expo”, poświęconą problemom fuzji jądrowej oraz projektowi ITER. Symbolicznego otwarcia wystawy dokonali studenci Uniwersytetu Śląskiego Dzieci w obecności prorektor ds. studenckich, promocji i współpracy z zagranicą prof. dr hab. Barbary Kożusznik, prezydenta Katowic Piotra Uszoka i wicekuratora śląskiego Tadeusza Żesławskiego. Wystawa miała atrakcyjny, nowoczesny charakter i obejmowała m.in. prezentacje multimedialne, projekcję filmu oraz plansze i modele demonstracyjne. W prosty sposób wyjaśniała ona podstawy fuzji, przedstawiła osiągnięcia naukowe w tej dziedzinie badań i prezentowała modele przyszłych reaktorów. Skierowana była przede wszystkim do młodzieży szkolnej, bo to przecież ona w przyszłości stanie przed problemem kończących się zasobów źródeł energii na naszej planecie.

JERZY JAROSZ

W artykule wykorzystano informacje pochodzące z opracowań EFDA

 

ITER w Cadarache  Reaktor ITER zostanie wybudowany w Cadarache na południu Francji. Już teraz Cadarache jest ośrodkiem naukowym, prowadzącym - na zlecenie Francuskiej Komisji ds. energii atomowej - zaawansowane badania w dziedzinie energii. Ośrodek programu ITER zajmie teren o powierzchni całkowitej około 180 hektarów, z czego 42 hektary zajmuje przygotowana już w 2009 r. specjalna platforma, na której zostanie zbudowany reaktor. Platforma ma 1 km długości i 400 metrów szerokości (60 boisk do piłki nożnej). Tokamak, który powstanie w ośrodku ITER będzie ważył 23 000 tony. Dla porównania, 7300 ton waży słynna wieża Eiffel’a, a zatem tokamak będzie od niej trzykrotnie cięższy. Większość komponentów reaktora zostanie dostarczona do najbliższego portu nad Morzem Śródziemnym, a następnie, specjalnie zbudowaną do tego celu drogą o długości 106 km, przewieziona na miejsce budowy. Kluczowe wymagania reaktora ITER, to wydajność chłodzenia wynosząca około 450 MW oraz pobór energii elektrycznej o mocy do 120 MW. Szacowany koszt jego budowy, rozruchu i pierwszych lat pracy (rozłożony na okres 30 lat), to 10 miliardów euro! Zostanie on rozdzielony na siedmiu członków – kraje biorące udział w programie. Obecnie przygotowania do budowy są zakończone i jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to pierwsza plazma w reaktorze ITER zapłonie w roku 2016.