Kontrolowana synteza jądrowa: tygrys wciąż dziki

„Te epokowe rezultaty przybliżają nas o krok do podboju największego z wyzwań nauki i inżynierii”. „Rekord ten oraz – co ważniejsze – wiedza, jaką zdobyliśmy o syntezie termojądrowej, w pełni potwierdza, że jesteśmy na właściwej drodze do świata energii fuzji”. „Impuls syntezy deuteru i trytu o takiej energii – bliskiej skali przemysłowej – dostarcza wszystkim zaangażowanym w globalne poszukiwania dobitnego potwierdzenia słuszności podejmowanych działań”. W takim tonie, przypominającym nieco estetykę wypowiedzi przywódców państw niekoniecznie demokratycznych, wypowiadają się szefowie rozmaitych organizacji związanych z projektem Joint European Torus (JET). To największy obecnie na świecie, a stojący w Wielkiej Brytanii reaktor termojądrowy – urządzenie, w którym energia produkowana jest na drodze syntezy jąder lekkich pierwiastków. W jego wnętrzu dzieje się mniej więcej to, co we wnętrzach większości gwiazd.

21 grudnia 2021 r. udało się w JET podgrzać gaz złożony z izotopów wodoru do temperatury 150 mln st. C. i zainicjować w nim trwającą pięć sekund reakcję syntezy ich jąder. Osiągnięto w ten sposób 59 MJ (megadżuli) energii cieplnej, czyli – jak zgrabnie porównuje magazyn „Science” – równoważnik energii kinetycznej w pełni załadowanej ciężarówki poruszającej się z prędkością 160 km/h. JET pobił w ten sposób spektakularnie swój poprzedni rekord sprzed ćwierć wieku – 22 MJ.

Rzadko się zdarza, by podobne wydarzenie trafiało na jedynki światowych gazet, ale wczoraj tak właśnie się stało, co podsyciło nadzieję, że przełom w pozyskiwaniu energii jest bliski. Reaktory termojądrowe są bowiem bezpieczne, produkują niewiele zanieczyszczeń, a paliwo jest tanie. Niestety, widoki na rychły przełom w energetyce są jeszcze mgliste.

Ile razy media podgrzewają atmosferę wokół fuzji, tyle razy specjaliści ją obniżają. W kwietniu 2010 r. na łamach „Świata Nauki” Michael Moyer pisał: „Problem leży w tym, że elektrownie syntezowe – podobnie jak siłownie na paliwo rozszczepialne – będą używane jako generatory podstawowe. Inaczej mówiąc, aby zwróciły się koszty ich budowy, będą musiały pracować dzień w dzień przez okrągłą dobę. Niestety, utrzymanie syntezy w plazmie przez dłuższy czas jest niezwykle trudne. Przewiduje się, że ITER umożliwi podtrzymanie reakcji w plazmie przez dziesiątki sekund. Jednak przejście od takiej sytuacji do pracy całodobowej to duży skok”.

ITER, czyli International Thermonuclear Experimental Reactor (fotoreportaż z budowy znajdziecie tutaj), to budowany we Francji reaktor uznawany za najdroższe i najbardziej skomplikowane przedsięwzięcie naukowe wszechczasów oraz najbardziej ambitny projekt międzynarodowy od chwili uruchomienia Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Pomieści dziesięciokrotnie więcej plazmy niż JET. Jego zadaniem jest przebadanie wszelkich naukowych i inżynieryjnych wyzwań związanych z pozyskiwaniem energii z kontrolowanej reakcji termojądrowej. Jeśli cel zostanie osiągnięty, międzynarodowe konsorcjum EUROfusion zacznie budowę pierwszej elektrowni wykorzystującej reakcję syntezy termojądrowej.

Ale kontrolowanie gorącej plazmy, w której owa fuzja zachodzi, to szatańskie wręcz wyzwanie – postęp w tej dziedzinie jest wolniejszy niż pożądany. Uwięziona w polu magnetycznym plazma zachowuje się jak dzikie zwierzę. Na przykład materiały używane w konstrukcji obłożonego magnesami czy elektromagnesami obwarzanków, w których się porusza, nie wytrzymują próby wysokich temperatur. Użyteczny reaktor tego typu (Amerykanie testują inne rozwiązania) już od kilkudziesięciu lat wydaje się być niezmiennie odległy w czasie o – przysłowiowe już w branży – dziesięć lat.

W Joint European Torus fuzja trwała pięć sekund. To bardzo długo, ale bilans energii dostarczonej i uzyskanej wciąż jest ujemny. Żeby machina wygenerowała owe 59 megadżuli, naukowcy musieli w nią wpompować trzy razy tyle. Mało tego – opiewane wczoraj przez media osiągnięcie to dla JET łabędzi śpiew. Skonstruowany przed blisko pół wiekiem reaktor osiągnął maksimum swoich możliwości: zostanie uruchomiony jeszcze tylko raz, a za dwa lata będzie zamknięty. ITER ma produkować kilkakrotnie, może nawet dziesięciokrotnie więcej energii niż jej pochłaniać – ale na Słońce, z jego samopodtrzymującą się syntezą termojądrową, spoglądać będziemy z zazdrością jeszcze przez wiele lat.

Cytowany przez „Świat Nauki” Charles Baker, były dyrektor programów syntezy termojądrowej w Argonne National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory, zaangażowany także w ITER, wyjaśniał: „Urządzenia syntezowe powinny funkcjonować przez 90 proc. czasu eksploatacji [włączając w to również okresy rutynowych konserwacji – przyp. pulsara] To w istocie najsłabiej rozpoznane źródło niepewności w prognozach opłacalności reaktorów”. Tak było dwanaście lat temu. I tak jest dziś.

Może się też zdarzyć, że za kilkanaście lub raczej kilkadziesiąt lat, kiedy urządzenia takie jak ITER zaczną wspinać się na akceptowalny poziom bilansu energetycznego, i tak z nich nie skorzystamy. Do tego czasu i tak będziemy musieli znaleźć inne źródła energii.

Jeszcze raz głos ma Michael Moyer i „Świat Nauki” z roku 2010: „Do tej pory uważano syntezę termojądrową za znacznie lepsze źródło energii niż zanieczyszczające środowisko paliwa kopalne czy niebezpieczny uran. Jawiła się jako rozwiązanie piękne i czyste, na zawsze zaspokajające nasze zapotrzebowanie. Była najbliżej doskonałości Wszechświata ze wszystkich osiągnięć ludzkości. Dziś ta wizja się rozpływa. Synteza jest po prostu jednym z wielu możliwych rozwiązań, wymagającym wciąż jeszcze wielu lat pracy. Moment, w którym uzyskamy zapłon, może być blisko, jednak era niewyczerpanych źródeł energii to nadal pieśń odległej przyszłości”.