Fuzja termojądrowa: czy zielona, nieograniczona energia jest w zasięgu ręki?

Fuzja termojądrowa to zjawisko, które od dawna fascynuje naukowców i entuzjastów technologii. Proces odgrywający kluczową rolę w życiu gwiazd i zwykle kojarzony z potężnymi wybuchami na niebie staje się obiektem zainteresowania na Ziemi jako potencjalne źródło nieograniczonej i czystej energii. W niniejszym artykule przyjrzymy się z bliska fuzji termojądrowej, jej potencjalnym zastosowaniu na Ziemi i aktualnym postępom naukowym w dziedzinie badań nad tym niezwykłym zjawiskiem.

Czym jest fuzja termojądrowa?

Fuzja termojądrowa zachodzi w wyniku łączenia się dwóch jąder atomowych w jedno, cięższe jądro. Proces ten wymaga bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia, ponieważ jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i odpychają się wzajemnie. Aby doszło do ich połączenia, muszą zbliżyć się na tyle, żeby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest odpowiednia prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo dużych temperaturach lub rozpędzając je w akceleratorach cząstek.

Zobacz także: Energetyka jądrowa przeżywa globalny renesans

Przedrostek termo– pochodzi od sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja w gwiazdach i bombie wodorowej, mianowicie poprzez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów. W skali atomowej oznacza to bardzo dużą energię zderzenia cząstek. Istnieje hipoteza, że synteza jądrowa może zachodzić również w niższych temperaturach (zimna fuzja), jednak są to tylko przypuszczenia, które aktualnie nie są w żaden sposób potwierdzone.

Gwiazdy jako naturalne reaktory termojądrowe

Gwiazdy, takie jak nasze Słońce, są naturalnymi reaktorami termojądrowymi. W ich gorącym i gęstym jądrze panują dostatecznie ekstremalne warunki, aby umożliwić fuzję. Głównym uczestnikiem tego procesu w gwiazdach jest wodór, który łączy się, tworząc hel i uwalniając ogromną ilość energii w postaci światła i ciepła. Gwiazdy są nieustannie podtrzymywane przez fuzję termojądrową dostarczającą energię, która sprawia, że te ciała niebieskie świecą i emitują ogromne strumienie promieniowania. Proces ten utrzymuje gwiazdy w równowadze, przeciwdziałając grawitacyjnemu zapadaniu się pod wpływem własnej masy.

Zobacz także: Chińczycy mierzą wysoko! Zbudują kontenerowiec z napędem jądrowym

Analiza składu chemicznego gwiazd i elementów, które powstają w wyniku fuzji termojądrowej, stanowi kluczową metodę dla astronomów w badaniu ewolucji i historii kosmosu. Wiele pierwiastków chemicznych, takich jak hel, węgiel, czy tlen, powstaje właśnie w jądrach gwiazd podczas procesów termojądrowych. Dzięki temu, badanie ich jako naturalnych reaktorów termojądrowych umożliwia nam zrozumienie, jakie skomplikowane procesy miały miejsce w przeszłości kosmosu.

Fuzja termojądrowa na Ziemi

Osiągnięcie kontrolowanej reakcji jądrowej w warunkach zbliżonych do tych panujących w jądrze gwiazd stanowi jedno z najbardziej ambitnych wyzwań technicznych. Przeniesienie procesu fuzji termojądrowej na Ziemię jest przedsięwzięciem naukowo-technologicznym o ogromnym potencjale. Mimo że jest to trudne zadanie, potencjalne korzyści są imponujące. Kontrolowana fuzja termojądrowa nie tylko zdaje się potężnym źródłem energii, ale także stanowi fascynującą alternatywę dla obecnych metod jej produkcji.

Jednym z najważniejszych kroków w kierunku osiągnięcia kontrolowanej fuzji termojądrowej jest międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy, znany jako ITER. Ten globalny projekt, zlokalizowany we Francji, jest wynikiem współpracy Unii Europejskiej, Stanów Zjednoczonych, Rosji, Chin, Indii, Korei Południowej i Japonii. ITER ma na celu osiągnięcie stanu samo zasilającej się fuzji. Oznacza to, że ilość energii wydzielona w wyniku tego procesu przewyższy energię dostarczoną do jego podtrzymania.

Zobacz także: Budowa elektrowni jądrowej w Polsce przyniesie znaczne korzyści!

Budowa reaktora termojądrowego to zadanie pełne wyzwań od strony technicznej, jak i naukowej. Jednym z kluczowych problemów jest zachowanie odpowiednich warunków plazmy przez długi czas, co jest niezbędne do utrzymania procesu fuzji. Kontrola temperatury, ciśnienia i pola magnetycznego, które stabilizują gorącą plazmę, wymaga precyzyjnych technologii oraz innowacyjnych rozwiązań inżynierskich. Ponadto, materiały używane do budowy reaktorów muszą wytrzymać ekstremalne warunki pracy.

Oprócz projektu ITER, naukowcy eksplorują inne koncepcje reaktorów termojądrowych, takie jak magnetyczne pułapki i reaktory tokamakowe. Magnetyczne pułapki wykorzystują silne pola magnetyczne do izolacji gorącej plazmy, podczas gdy reaktory tokamakowe wykorzystują spiralne pola magnetyczne do utrzymania stabilności plazmy. Te alternatywne podejścia wprowadzają różnorodność w badaniach nad fuzją termojądrową, poszukując efektywniejszych i bardziej wydajnych rozwiązań technicznych.

Zobacz także: Opozycja jest pewna. Elektrownie jądrowe w Niemczech muszą zostać uruchomione!

Reaktor ITER: Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy

Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) to globalne przedsięwzięcie naukowe, które ma na celu badanie i eksperymentalne potwierdzenie technicznej wykonalności kontrolowanej fuzji termojądrowej. Reaktor ITER opiera się na zastosowaniu silnych pól magnetycznych i wysokiej temperatury, aby utrzymać gorącą plazmę w odpowiednich warunkach przez wystarczająco długi czas. Plazma, składająca się głównie z izotopów wodoru, osiąga temperatury i ciśnienia znacznie przekraczające te, które panują w jądrze Słońca. W rezultacie, jądra atomów wodoru łączą się w procesie fuzji termojądrowej, uwalniając ogromne ilości energii.

Reaktor ITER ma imponujące rozmiary i skomplikowaną strukturę. Jego głównym elementem jest ogromny pierścień magnetyczny, znany jako tokamak, który odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu plazmy w odpowiednich warunkach. Dodatkowa aparatura, taka jak systemy chłodzenia, kontrola plazmy i materiały odporne na ekstremalne warunki, są również istotne dla skutecznego działania reaktora. Według planów reaktor powinien zostać uruchomiony w 2025 roku, wtedy też będzie miał za zadanie wygenerować pierwszą przegrzaną plazmę. Zgodnie z szacunkami pełną moc reaktor osiągnie do 2035 roku i wówczas naukowcy będą mogli wykazać, że w ramach fuzji można uzyskać więcej energii, niż jej dostarczono.

Zobacz także: ITER, czyli UE przekazała potężne środki od UE na wielki projekt naukowy

Przyszłość czystej energii

W obliczu wyzwań związanych ze zmianami klimatycznymi i wyczerpywaniem paliw kopalnych zrównoważone formy produkcji energii stają się coraz bardziej pilne. W tym kontekście fuzja termojądrowa wyłania się jako potencjalna rewolucja, obiecując dostarczanie czystej, bezpiecznej i nieograniczonej energii. Oferuje potencjał, który zrywa z tradycyjnymi źródłami energii. Proces ten nie generuje emisji gazów cieplarnianych ani nie produkuje szkodliwych odpadów promieniotwórczych, w odróżnieniu od tradycyjnych elektrowni jądrowych. Zielona energia z fuzji termojądrowej mogłaby być kluczowym krokiem w kierunku zrównoważonej i ekologicznej produkcji energii, przyczyniając się do redukcji wpływu człowieka na klimat.

W przypadku sukcesu fuzja termojądrowa może zrewolucjonizować energetykę na skalę globalną. Produkcja energii bez emisji szkodliwych substancji, minimalne ilości odpadów i niemal nieograniczona ilość paliwa w postaci izotopu wodoru — to wszystko ma szansę przyczynić się do transformacji globalnej gospodarki. Głębokie ograniczenie emisji gazów cieplarnianych oraz zmniejszenie zależności od nieodnawialnych i emisyjnych źródeł energii stanowiłoby ogromną korzyść zarówno dla środowiska, jak i klimatu.

Zobacz także: Chińskie sztuczne słońce ustanowiło nowy rekord

Podsumowanie

Fuzja termojądrowa to fascynujące zjawisko. Pomimo obecnych trudności technicznych, naukowcy na całym świecie pracują nad osiągnięciem kontrolowanej fuzji termojądrowej. Sukces w tej dziedzinie mógłby przynieść nową erę w produkcji energii, która charakteryzowałaby się zminimalizowaniem wpływu na środowisko i pełnym zaspokojeniem globalnych potrzeb energetycznych. Fuzja termojądrowa reprezentuje światło w głębi jądra naszego zrozumienia natury i źródeł energii. Chociaż sam projekt ITER nie będzie miał za zadania produkować energii elektrycznej, stanowi on znaczący krok w przyszłość i pomoże w rozwoju tej technologii.  Wizja ta napawa optymizmem, podkreślając rolę nauki i technologii jako kluczowych czynników kształtujących naszą zrównoważoną przyszłość.

Kacper Ziętak, SKN Energetyki SGH

Polacy uważają, że nowoczesne technologie jądrowe są bezpiecznym i stabilnym źródeł energii!