Reaktor termojądrowy ITER, czyli Słońce na Ziemi. Czy to przyszłość energetyki?

• Cel: więcej energii niż wkładu. ITER ma osiągnąć dodatni bilans energetyczny w największym na świecie tokamaku, podgrzewając plazmę do ok. 150 mln kelwinów. To eksperyment badawczy – nie elektrownia produkująca prąd.
• Globalny projekt za 20+ mld euro. W przedsięwzięciu uczestniczy 7 partnerów, a większość wkładu to dostarczane komponenty, nie gotówka. Pierwsza plazma została przesunięta na 2034 r., co pokazuje skalę wyzwań technologicznych.
• Bezpieczniejsza niż rozszczepienie, ale wciąż eksperymentalna. W tokamaku znajduje się tylko kilka gramów paliwa, a reakcja nie jest samopodtrzymująca. Jeśli ITER się powiedzie, kolejnym krokiem będą demonstracyjne reaktory DEMO produkujące energię dla sieci.

Słońce od miliardów lat dostarcza nam energii, dzięki której możliwe jest życie na Ziemi. Naukowcy od dawna marzą o tym, by odtworzyć ten sam proces w warunkach laboratoryjnych. Projekt ITER, którego nazwa nawiązuje do łacińskiego słowa iter oznaczającego „drogę”, to ambitna próba stworzenia „sztucznego Słońca”, czyli reaktora, w którym energia powstaje dzięki fuzji jądrowej, potencjalnie czystej i niemal niewyczerpalnej.

Czym jest projekt ITER?

ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor, pol. Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny) to ogromne międzynarodowe przedsięwzięcie naukowe mające na celu badanie fuzji jądrowej, czyli procesu, który zachodzi we wnętrzu Słońca i innych gwiazd. Jego głównym zadaniem jest udowodnienie, że energię tę można uzyskać i kontrolować na Ziemi. Centralnym elementem instalacji będzie tokamak, który ma być największym takim obiektem obecnie na świecie.

Po co budujemy ITER?

Głównym celem projektu jest osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego, tj. uzyskanie więcej energii, niż było potrzebne do jej stworzenia. Bardzo pomocnym wskaźnikiem jest tu Q, który jest stosunkiem mocy fuzji do mocy potrzebnej do ogrzania plazmy. Celem jest uzyskanie wartości Q większej lub równej 1. Poprzednie urządzenia eksperymentalne były w stanie uzyskać ten współczynnik maksymalnie na poziomie Q=0,67 (Europejski tokamak JET, największy dotychczasowy tokamak badawczy w Europie).

ITER jest zaprojektowany w taki sposób, aby w przyszłości uzyskać Q na poziomie nawet 10 (10-krotnie więcej energii uzyskanej z reakcji, niż do niej włożonej). Projekt ten, jednak nie będzie produkował energii elektrycznej, ponieważ jego głównym celem jest badanie samego procesu fuzji, a dodatkowe generowanie energii elektrycznej zwiększyłoby złożoność i koszty przedsięwzięcia.

Historia badań nad fuzją jądrową

Badania nad fuzją sięgają lat 50. XX wieku, gdzie w ZSRR i USA powstawały pierwsze urządzenia typu tokamak, czyli maszyny do magnetycznego utrzymania plazmy w celu przeprowadzania fuzji jądrowej. W kolejnych dekadach kolejne ośrodki dalej rozwijały tę technologię przez budowę coraz bardziej zaawansowanych reaktorów eksperymentalnych, takich jak JET w Europie lub JT-60 w Japonii.

Wraz z upływem czasu koszty badań nad fuzją jądrową zaczęły jednak gwałtownie rosnąć. W latach 80., w realiach trwającej zimnej wojny, pojawiła się więc idea międzynarodowego projektu, który miał nie tylko połączyć zasoby finansowe i technologiczne, lecz także pokazać naukę jako most porozumienia między zwaśnionymi blokami politycznymi.

Geneza i rozwój projektu

ITER narodził się początkowo jako inicjatywa USA, ZSRR, Japonii i Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej będąc bezpośrednim efektem rozmów między przywódcami mocarstw w okresie schyłku zimnej wojny w 1985 roku. Rywalizacja o lokalizacje reaktora toczyła się głównie między dwoma miejscami: w Cadarache w południowej Francji oraz Rokkasho w Japonii. W 2005 roku ostatecznie wybrano Cadarache. Główne prace konstrukcyjne rozpoczęto w 2007, jednak z powodu opóźnień, przesunięto powstanie pierwszej plazmy z końca 2025 na 2034 rok.

Jak działa „sztuczne Słońce”?

Fuzja jądrowa, w przeciwieństwie do rozszczepiania jądrowego, polega na łączeniu lekkich jąder atomowych w cięższe, co uwalnia ogromne ilości energii. Ten sam proces utrzymuje Słońce w blasku od miliardów lat. Do tego procesu potrzebna jest plazma, czyli czwarty stan materii, w którym elektrony są oderwane od jąder atomowych.

Samo powstanie plazmy jednak nie wystarcza. Jądra atomów, pozbawione ujemnie naładowanych elektronów, mają dodatni ładunek elektryczny i silnie się odpychają, podobnie jak magnesy o tych samych biegunach. Aby mogły się do siebie zbliżyć na odległość jądrową rzędu 10^-15 m, konieczną do zajścia fuzji, muszą poruszać się z ogromnymi prędkościami.

Ponieważ temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek, jedynym sposobem na osiągnięcie takich warunków jest silne podgrzanie plazmy. W jądrze Słońca wystarcza temperatura około 15 milionów kelwinów, dzięki potężnej grawitacji, ściskającej materię. Na Ziemi, pozbawieni tej naturalnej pomocy, musimy podnieść temperaturę plazmy aż do około 150 milionów kelwinów, czyli dziesięciokrotnie więcej niż w jądrze naszej gwiazdy.

W badaniach nad fuzją jądrową najczęściej wykorzystuje się reakcję pomiędzy dwoma izotopami wodoru: deuterem i trytem. Deuter występuje naturalnie w wodzie morskiej, natomiast tryt jest pierwiastkiem promieniotwórczym, który w reaktorach takich jak ITER będzie wytwarzany z litu. Reakcja deuterowo–trytowa jest obecnie najlepiej poznana i wymaga najniższych temperatur spośród rozważanych reakcji fuzji, co czyni ją najbardziej obiecującą z punktu widzenia eksperymentów.

Tokamak – serce reaktora

Tokamak to urządzenie o kształcie pierścienia, zaprojektowane do utrzymywania niezwykle gorącej plazmy za pomocą silnych pól magnetycznych. Geometria ta pozwala na zamknięcie plazmy w stabilnej pętli, bez kontaktu ze ścianami reaktora. Ponieważ plazma składa się z naładowanych cząstek, silnie reaguje ona na pole magnetyczne. Dzięki odpowiednio rozmieszczonym cewkom magnetycznym możliwe jest precyzyjne kontrolowanie jej położenia i kształtu oraz utrzymywanie jej w bezpiecznej odległości od ścian urządzenia. Wnętrze tokamaku znajduje się w próżni, co minimalizuje straty energii i umożliwia utrzymywanie ogromnej różnicy temperatur pomiędzy plazmą, rozgrzaną do setek milionów stopni, a znacznie chłodniejszymi elementami konstrukcji.

W przeciwieństwie do elektrowni jądrowych opartych na rozszczepieniu tokamak podczas pracy zawiera jedynie kilka gramów paliwa, a reakcja fuzji nie jest samopodtrzymująca. Oznacza to, że w przypadku jakichkolwiek zakłóceń pracy reaktora plazma szybko stygnie i zanika, co praktycznie eliminuje ryzyko niekontrolowanego wybuchu.

Współpraca międzynarodowa

ITER jest przykładem niesamowitej globalnej współpracy, porównywalnej jedynie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W projekcie uczestniczy siedmiu członków: Unia Europejska, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA. Koszt szacowany jest na około 20-22 miliardów euro, z czego za największą porcję (45.6%) odpowiedzialna jest Unia. Pozostała część kosztów została podzielona w przybliżeniu równo pomiędzy pozostałych partnerów. Co ciekawe, 90% kosztów projektu nie jest realizowana w formie funduszy pieniężnych, lecz już gotowych komponentów, systemów i budynków. Taki model współpracy czyni ITER jednym z najbardziej złożonych projektów badawczych w historii.

Wyzwania technologiczne i opóźnienia

Cały projekt jest ogromnym wyzwaniem technologicznym. Budowa i montaż wielkich cewek magnetycznych wytwarzających pola o natężeniu rzędu kilkunastu tesli czy próba utrzymania plazmy o temperaturze ponad 100 milionów kelwinów to tylko niektóre obszary testujące granice współczesnej inżynierii. Z tych i innych powodów, takich jak opóźnienia harmonogramu czy trudności w koordynacji zespołów z całego świata, terminy realizacji są przesuwane.

Czy fuzja zmieni przyszłość energetyki?

Projekt ITER nie będzie końcem drogi. Naukowcy już planują kolejne kroki między innymi w postaci reaktorów klasy DEMO, które mogłyby w przyszłości dostarczać energię elektryczną do sieci. Jeżeli przedsięwzięcie osiągnie sukces, to otworzy ono drzwi do przyszłych komercyjnych elektrowni termojądrowych.

Reaktory klasy DEMO (DEMOnstracyjne elektrownie) są obiektami planowanymi przez większość członków ITER. Ich zadaniem będzie dalszy rozwój technologii związanych z fuzją jądrową, jednak będą to obiekty bardziej regionalne bez tak dużej współpracy międzynarodowej.

Podsumowanie

ITER to jedna z największych naukowych inwestycji ludzkości. Chociaż droga dla projektu jest jeszcze długa, jest ona kluczowa dla osiągnięcia czystej, niemal nieograniczonej energii. Jeśli uda się opanować fuzję jądrową, to może ona przynieść rewolucję energetyczną, jak i pomóc w walce ze zmianami klimatu.

Źródła: iter.org, world-nuclear.org

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Mikołaj Krok