Fuzja jądrowa – na czym polega i czy kiedyś zrewolucjonizuje energetykę?

Obecnie na świecie zmagamy się z widocznymi i postępującymi zmianami klimatu. Powszechnie wiadomo, że zjawiska te związane są z działalnością człowieka, a przede wszystkim ze spalaniem paliw kopalnych w celu uzyskania energii. Stało się więc oczywistym, że zaszła potrzeba zmiany głównego źródła energii, a spośród nielicznych alternatyw szczególne znaczenie zyskała energia jądrowa oparta na rozszczepieniu jądra atomowego uranu. Źródło to stosuje się na świecie z powodzeniem od wielu dekad i jest ono udoskonalane. Nasuwa się jednak pytanie: skoro pozyskujemy ogromną energię z „rozdzielenia jądra”, to jak dużą energię możemy uzyskać, gdy dwa jądra połączą się? Właśnie na to pytanie odpowiada fuzja jądrowa.

Czym jest fuzja jądrowa?

Fuzją jądrową nazywa się proces syntezy minimum dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe jądro, w trakcie którego wyzwalane są ogromne pokłady energii, średnio 17,6 MeV (reakcja deuter-tryt). Dla porównania spalenie jednego atomu węgla dostarcza 4,1 eV, czyli ponad 4 miliony razy mniej.

Najprostszym przykładem fuzji w otaczającym nas świecie jest Słońce – to właśnie ono jest zasilane tą reakcją, która odbywa się w jego jądrze. W nim produkcja energii odbywa się, gdy jądra wodoru (proton) łączą się w jądra helu-4, co nazywane jest cyklem protonowym (ang. proton-proton chain). Proces ten odbywa się w trzech reakcjach, podczas których wydziela się 26 MeV. Co więcej, to dzięki fuzji jądrowej w gwiazdach oraz ich wymieraniem związanym z fuzją, powstały cięższe pierwiastki będące budulcem nowych gwiazd i planet.

Jakie istnieją możliwe reakcje fuzyjne?

Istnieje wiele możliwych reakcji fuzji jądrowej, jednak są one energetycznie korzystne jedynie do momentu, gdy w wyniku fuzji powstają jądra lżejsze od izotopów żelaza. Fuzja jąder cięższych, w tym żelaza, jest endotermiczna, co oznacza, że zamiast wytwarzać energię, wymaga jej dostarczenia. Najprostszą i najkorzystniejszą do osiągnięcia w warunkach laboratoryjnych reakcją fuzji jest reakcja dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. Jej wynikiem jest uwolnienie 17,6 MeV energii, rozdzielonej pomiędzy jądrem helu a wysokoenergetycznym neutronem.

Paliwo do fuzji

Wiadomo już więc, że do zajścia najprostszej laboratoryjnie reakcji fuzji potrzebne są jądra deuteru i trytu. Czy izotopy te są wymagającym wieloetapowego przetwarzania lub trudno dostępnym paliwem?

Z deuterem nie ma problemu – atomów deuteru jest 1,38×10⁴³ w wodach morskich, co przy pewnych obliczeniach dałoby ludzkości zapas energii z fuzji na 25 miliardów lat. To więcej czasu niż do przybrania przez Słońce postaci czerwonego olbrzyma. Jedynym wyzwaniem jest pozyskanie tego izotopu, co jest energochłonne, a więc kosztowne.

Tryt, natomiast, występuje w przyrodzie w nikłych, niewystarczających ilościach. Jednak możliwe jest pozyskiwanie go poprzez bombardowanie atomów litu neutronami. I właśnie to zjawisko ma miejsce wewnątrz reaktora termojądrowego, gdzie osłona zbudowana ze związków litu otacza plazmę, chroniąc środowisko przed dostaniem się paliwa na zewnątrz i ekranując neutrony. Taki proces fachowo nazywa się „breeding cycle”. Oznacza to, że „przy okazji” następuje produkcja trytu niezbędnego do fuzji, co oczywiście ma miejsce przy dobrze pracującym reaktorze.

Jakie warunki są potrzebne do zajścia fuzji?

Największym wyzwaniem są warunki, w jakich fuzja może zajść, zwłaszcza na dużą skalę. Reakcja ta odbywa się w stanie skupienia materii zwanym plazmą. Jest ona gorącym i zjonizowanym gazem złożonym z kationów i swobodnych elektronów. Temperatura, w której utrzymuje się plazmę na Ziemi sięga ponad 100 milionów stopni Celsjusza (10 razy więcej niż na Słońcu). Co więcej, aby plazma była stabilna, konieczne jest utrzymanie jej w równowadze ciśnieniowej i zamknięcie w bardzo silnym polu magnetycznym. Ostatecznym wnioskiem jest, że aby fuzja mogła zajść na Ziemi, konieczne są warunki nawet bardziej wymagające temperaturowo niż te występujące na Słońcu. Oznacza to jedno – niezwykle ogromne wyzwania konstrukcyjne i materiałowe. Kwestia ta jednak nie powstrzymuje badaczy od odkrywania tajemnic fuzji oraz jej opanowania, co odzwierciedla liczba i skala badań nad fuzją na świecie.

Fuzja jądrowa – co wiemy na chwilę obecną?

Obecnie na świecie prowadzone są liczne badania nad fuzją jądrową wykorzystujące różne podejścia i technologie opanowania fuzji. Od metod uwięzienia plazmy do konkretnych urządzeń, w których zachodzi reakcja. W świecie fuzji dominuje metoda magnetycznego uwięzienia plazmy, w której najczęściej wykorzystywanymi urządzeniami są tokamaki – toroidalne reaktory fuzyjne stabilizujące plazmę za pomocą pól magnetycznych z cewek. Oczywiście, w badaniach nad fuzją jądrową wykorzystuje się również inne metody czy urządzenia.

Do najważniejszych projektów należą: ITER, planowane reaktory demonstracyjne DEMO, NIF oraz IFMIF. Aktualnie działają ważne projekty związane z tokamakami i stellaratorami: JET zakończył eksperymenty pod koniec 2023 roku, natomiast nadal aktywne są EAST, JT-60SA i stellarator Wendelstein 7-X. Oprócz wielkoskalowych, międzynarodowych projektów można spotkać projekty prywatnych firm w formie startupów: Tokamak Energy czy SPARC.

Tokamak JET

Jednym z czołowych projektów w świecie fuzji termojądrowej jest tokamak JET (Joint European Torus). Projekt działał w Wielkiej Brytanii w Culham Centre for Fusion Energy od 1978 r. do 2023 r. Stanowił on pierwsze i fundamentalne źródło badań nad fuzją termojądrową w Europie, a także stał się podstawą pod projekt skomercjalizowania fuzji – ITER. Celem JET było badanie fuzji w warunkach zbliżonych do tych, które panowałyby w elektrowni opartej na reaktorze termojądrowym. Co istotne, JET jako jedyny projekt wykonuje badania nad wykorzystaniem paliwa deuter-tryt do kontrolowanej fuzji.

W 1997 r. w eksperymencie fuzji paliwa DT (deuter-tryt), uzyskano moce: 16 MW przez jedną sekundę oraz 5 MW w stanie stabilnym, przy czym pobrano 24 MW energii do utrzymania plazmy. Pod koniec 2021 r. pobito rekord i zanotowano osiągnięcie i utrzymanie produkcji 59 MJ energii cieplnej w ciągu pięciu sekund. W kontekście fuzji jądrowej okazało się to dużym osiągnięciem, ponieważ uzyskano stabilną reakcję fuzji DT przy mocy na poziomie niemal przemysłowym. Przez ten eksperyment naukowcy potwierdzili, że długotrwałe utrzymanie fuzji jest możliwe przy użyciu paliwa DT. Te informacje są cenne dla nowego projektu, przede wszystkim pod kątem wykorzystania tego paliwa w reaktorze ITER. Wynik tego badania daje pewność, że jesteśmy w stanie opanować fuzję i jesteśmy coraz bliżej jej skomercjalizowania.

Reaktor ITER

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), międzynarodowy projekt największego na świecie tokamaka, działający we Francji. Jego celem są badania nad fuzją termojądrową i przygotowanie tej technologii do wykorzystania w celu produkcji energii na skalę komercyjną. Głównym wyzwaniem projektu jest uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego z reakcji, czyli więcej energii niż jest potrzebne do podtrzymania reakcji. Na obecną chwilę trwają prace montażowe tokamaka, a pierwsze uruchomienie i badania, choć były planowane na 2025 r., zostały przełożone na 2033-2034 r. Celem jest osiągnięcie plazmy o wskaźniku Q ≥ 10, co oznacza 10 razy więcej mocy wytworzonej niż zużytej.

Cel wprowadzenia fuzji w obieg komercyjny ma w przyszłości realizować projekt DEMO, który w tej kwestii będzie następcą projektu ITER. DEMO (Demonstration Fusion Power Plants) jest projektem-prototypem, przeistoczonym z fazy badań i rozwoju technologii jako ITER, do wykorzystania fuzji w przemyśle do produkcji energii elektrycznej. (Projekt ten jest wspierany przez program EUROfusion Technology Programme).

Uwięzienie plazmy

Inną z metod wykorzystywanych w świecie fuzji jest inercyjne uwięzienie plazmy, które oparte na użyciu lasera, jest badane w National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory. NIF jest największą placówką na świecie badającą fuzję metodą inercyjną w oparciu o laser. To właśnie w tym miejscu, pod koniec 2022 r. osiągnięto po raz pierwszy zysk energetyczny z reakcji fuzji na potrzeby naukowe o wartości Q_sci= 1,5, co oznacza, że dostarczona energia z laserów do plazmy zaowocowała w 1,5 raza więcej osiągniętej energii z fuzji. Ostatnio uzyskany wynik w 2025 r. został podwyższony do wartości Q_sci= 4,13.

Czy fuzja jądrowa ma przyszłość w energetyce?

Fuzja jądrowa ma realną szansę stać się jednym z kluczowych filarów przyszłej energetyki. W przeciwieństwie do spalania paliw kopalnych, proces ten nie emituje dwutlenku węgla ani innych gazów cieplarnianych, co czyni go technologią przyjazną dla klimatu. Dostępność surowców, takich jak deuter pozyskiwany z wody morskiej czy tryt możliwy do wytworzenia w samym reaktorze, sprawia, że jest to źródło energii praktycznie niewyczerpalne w skali ludzkości. Co więcej, odpady radioaktywne z reaktorów termojądrowych charakteryzują się znacznie krótszym czasem półtrwania niż w energetyce jądrowej opartej na rozszczepieniu, a sama reakcja jest wielokrotnie bardziej energetyczna niż jakiekolwiek spalanie chemiczne. Mimo to fuzja pozostaje w fazie intensywnych badań – największe wyzwania to osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego, opracowanie materiałów odpornych na silne promieniowanie neutronowe oraz obniżenie kosztów budowy i eksploatacji reaktorów. Jeśli te bariery zostaną pokonane, fuzja może dostarczać czystą, stabilną i praktycznie nieograniczoną energię dla całego świata.

Podsumowanie

Liczne i skuteczne badania prowadzone do tej pory wskazują na jedną rzecz, której możemy być pewni: fuzja termojądrowa jest coraz bardziej realna. Warto pamiętać, że przed badaczami nadal stoi wiele wyzwań i barier do pokonania. Wykorzystanie fuzji do produkcji komercyjnej energii może nadal pozostać kwestią czasu drugiej połowy XXI wieku. Lecz rosnąca liczba badań przeprowadzana przez zarówno publiczne, jak i prywatne jednostki badawcze oraz zainteresowanie fuzją przez inwestorów może znacznie przyspieszyć ten proces. 

Źródła internetowe: iaea.org, iter.org, euro-fusion.org, ccfe.ukaea.uk, world-nuclear.org
Źródła naukowe:
1. Meschini, S., Laviano, F., Ledda, F., Pettinari, D., Testoni, R., Torsello, D., & Panella, B. (2023). Review of commercial nuclear fusion projects. Frontiers in Energy Research, 11, 1157394.
2. Morse, E. (2018). Nuclear fusion. Springer.
3. Mohamed, M., Zakuan, N. D., Tengku Hassan, T. N. A., Lock, S. S. M., & Mohd Shariff, A. (2024). Global development and readiness of nuclear fusion technology as the alternative source for clean energy supply. Sustainability, 16, 4089.
4. Ward, D. J., & Dudarev, S. L. (2008). Economically competitive fusion. Materials Today, 11(12), 46–53.
5. Petrescu, R. V., Aversa, R., Kozaitis, S., Apicella, A., & Petrescu, F. I. (2017). Some basic reactions in nuclear fusion. American Journal of Engineering and Applied Sciences, 10(3), 703–708.
6. Kikuchi, M. (2002). Fusion physics. International Atomic Energy Agency.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Natalia Ruzik