Fuzja jądrowa, naturalnie zachodząca jedynie wewnątrz gwiazd, niesie ze sobą ogromny potencjał dotyczący produkcji energii. Jednak przeprowadzenie jej w kontrolowanych warunkach przy otrzymaniu dodatniego bilansu energetycznego jest niemałym wyzwanie dla naukowców z całego świata. W związku z rozstrzygnięciem na platformie L.E.M. nano powiązanego z tym tematem zdarzenia pt. „Fuzja jądrowa II”, zapraszamy do zapoznania się z artykułem traktującym o istocie samej fuzji, jak i międzynarodowej inicjatywie jej poskromienia.
Gwiazdy, w tym Słońce, są efektem przede wszystkim fluktuacji gęstości materii wczesnego Wszechświata i występowania siły grawitacji. Na skutek tych minimalnych nieregularności, po inflacji Wszechświata (gwałtownego rozszerzenia się) w poszczególnych jego obszarach skumulowało się wyraźnie więcej cząstek niż w pozostałych. Te z kolei zaczęły ze sobą oddziaływać, coraz bardziej się do siebie zbliżając i formując tym samym galaktyki, jak i pojedyncze ciała niebieskie. W wyniku zapadającej się, pod wpływem grawitacji, materii, obłoki molekularne przechodziły w protogwiazdy, a te, po osiągnięciu dostatecznej gęstości w swoim wnętrzu, stawały się w gwiazdami. Natomiast przez dostateczną gęstość rozumiemy powstanie warunków umożliwiających zajście fuzji jądrowej — w pewnym momencie odległości między atomami wodoru stają się na tyle małe, że pojawia się realne prawdopodobieństwo ich zderzenia. Tą drogą powstają kolejno jądra deuteru 2H, helu 3He i ostatecznie 4He. Do powstania cięższych pierwiastków potrzebna jest odpowiednio większa temperatura zależna od masy gwiazdy. W wyniku każdego zderzenia uwalnia się energia, która następnie wypromieniowywana jest w postaci fal elektromagnetycznych — światła. W ujęciu makroskopowym okazuje się, że gwiazda o masie Słońca posiada moc o wartości 3,86 * 1026 W, dla porównania jest to 22 rzędy wielkości więcej od mocy największej elektrowni na Ziemi. I o ile abstrakcją jest wygenerowanie tak dużej ilości energii w skali ziemskiej infrastruktury, to sama fuzja jądrowa wydaje się być niezwykle atrakcyjną formą źródła energii. Jest ona jednocześnie wyjątkowo trudna do wywołania i kontrolowania — do tej pory udało się ją przeprowadzać, jedynie dokładając energii w celu podtrzymania zachodzących reakcji. Korzystano w tym celu głównie z aparatury JET znajdującej się w Oxfordshire, UK.
Idea opanowania fuzji jądrowej powstała w 1985 roku na Szczycie Supermocarstw w Genewie, gdzie Sekretarz Generalny ZSRR — Michaił Gorbaczow zaproponował Prezydentowi US — Ronaldowi Reaganowi wspólny rozwój nowego, czystszego źródła energii. Rok później Unia Europejska (Euratom), Japonia, ZSRR, i USA podpisały porozumienie w celu budowy międzynarodowego ośrodka badawczego, mającego działać na rzecz rozwoju wiedzy i technologii w zakresie fuzji. Dzisiaj w projekcie bierze udział 35 państw, a kompleks naukowy budowany na południu Francji jest już w ponad połowie gotowy — pierwsze eksperymenty mają zacząć się w grudniu 2025 roku.
W elektrowniach proces wytworzenia prądu polega na konwersji siły mechanicznej w energię elektryczną. W zależności od jej rodzaju siła mechaniczna (np. ruch turbin) może zostać wywoływana przez wiatr, nurt wody lub ciśnienie pary wodnej podgrzewanej spalaniem węgla. Na tej samej zasadzie opierać się mają przyszłe elektrownie wykorzystująca fuzję jądrową, a ich kluczowym elementem ma być tzw. Tokamak. Urządzenie będące sercem projektu ITER ma służyć do kontroli plazmy wodorowej, umożliwiając tym samym przebieg syntezy jądrowej. By to osiągnąć, do próżniowej komory w kształcie pączka wiedeńskiego wprowadzany jest wodór w stanie gazowym, który następnie jest jonizowany potężnym natężeniem prądu, dzięki czemu przechodzi w stan plazmy. Ostatnią czynnością jest podgrzanie przygotowanej plazmy do temperatury ponad 150 milinów Kelwinów, w której energia cząstek jest już na tyle duża, by mogły one zacząć się ze sobą zderzać, generując przy tym ogromne ilości energii. Co ważne, dzięki silnym magnesom otaczającym całe naczynie wszystkie reakcje termojądrowe zachodzą w kontrolowanej odległości od ścian komory.
W odpowiedzi na rosnący problem emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczenia środowiska, fuzja jądrowa jest bardzo obiecującym substytutem dla paliw kopalnych. Świadczy o tym choćby jej cztery miliony razy większa efektywność w stosunku do spalania węgla, ropy czy gazu. Ponadto podobnie jak w przypadku odnawialnych źródeł energii mamy niemal nieograniczony dostęp do paliwa potrzebnego do przeprowadzania fuzji — wodór można wydestylować z dowolnego rodzaju wody. Niemożliwy jest też wypadek podobny do tego z Fukushimy, nawet niewielkie zaburzenia prowadzą do ochłodzenia się całego układu, neutralizując tym samym jakiekolwiek zagrożenie. A co ekologicznie najważniejsze, na żadnym etapie nie powstaje też dwutlenek węgla. Chociaż to wszystko brzmi fantastycznie, fuzja jądrowa nie jest gotowym remedium na niebezpieczne zmiany klimatyczne. Musi minąć jeszcze parę lat, zanim dostatecznie opracujemy technologię pozyskiwania z niej energii i następnych kilkanaście, zanim zostanie ona wdrożona i w pełni skomercjalizowana.
Bibliografia:
Hawking S., „Krótka historia czasu: Od wielkiego wybuchu do czarnych dziur”, Warszawa, Zysk i S-ka Wydawnictwo, 2015
Weintraub D. A., „Ile lat ma wszechświat”, Warszawa, Prószyński i S-ka, 2012
ITER - the way to new energy (ang.)
Powrót
