Synteza jądrowa

1 Listopada 1952 r. miał miejsce pierwsza próbna eksplozja termojądrowa. Bomba nazwana „Mike” wykorzystująca deuter i tryt spowodowała wybuch o sile 700 razy większej niż bomba zrzucona Hiroszimę. Tak potężna ilość energii wydzieliła się w wyniku reakcji syntezy jądrowej. Gdyby udało się przeprowadzać ją w sposób kontrolowany ludzkość uzyskałaby niemal nieskończone, bezpieczne dla środowiska źródło alternatywnej energii.

Reakcja syntezy jądrowej

Deuter i tryt są izotopami wodoru – czyli jego „krewniakami” wzbogaconymi o odpowiednio jeden i dwa dodatkowe neutrony. Deuter jest dostępny niemal w nieograniczonych ilościach w wodzie mórz i oceanów. W wyniku połączenia się jąder deuteru i trytu powstaje jądro helu, neutron oraz duża ilość energii. Oczywiście można postawić pytanie – skąd ta energia się bierze? Otóż okazuje się że masa jądra helu jest mniejsza niż suma mas jego składników przed syntezą (zjawisko to nosi nazwę „defektu masy” lub „deficytu masy”). Ta brakująca masa zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc2 została przekształcona w energię.

Aby nastąpiło połączenie dwóch dodatnie naładowanych jąder musi zostać pokonana siła odpychania elektrostatycznego (siła kulombowska). Możliwe jest to tylko w bardzo wysokiej temperaturze – dlatego reakcja syntezy często nazywana jest reakcją termojądrową. We wszechświecie jest ona źródłem energii gwiazd. Z kilograma deuteru w reakcji syntezy można uzyskać energię porównywalną z uzyskaną ze spalenia 3,5 tys. ton węgla.

Fuzja jądrowa jest źródłem energii Słońca, które umożliwia istnienie wszelkich form życia na Ziemi. W przeciwieństwie do reakcji rozszczepienia jądra atomowego, w której energia uzyskiwana jest poprzez podział bardzo ciężkich atomów, fuzja jądrowa wyzwala energię w procesie syntezy lekkich atomów, takich jak wodór, które łączą się ze sobą i tworzą atom helu. We wnętrzu Słońca proces ten zachodzi w niezwykle wysokich temperaturach (około 15 milionów ºC) i pod ogromnym ciśnieniem grawitacyjnym. W każdej sekundzie 600 milionów ton wodoru ulega syntezie i przekształca się w hel. (źródło:
http://ec.europa.eu/research/leaflets/iter/index_pl.html)

Na Ziemi fuzja jądrowa będzie źródłem energii na skalę dużo mniejszą niż w Słońcu! Ale ta mniejsza skala oznacza, że temperatura niezbędna do tego, aby fuzja jądrowa była praktycznym źródłem energii, musi być dużo większa (nawet dziesięciokrotnie). Jest to największe wyzwanie, przed którym stoją naukowcy i inżynierowie z całego świata.

ITER

ITER jest międzynarodowym projektem badawczo-rozwojowym mającym na celu zbadanie możliwości wykorzystanie reakcji syntezy jądrowej do produkcji energii. Zakłada on budowę doświadczalnego tokamaka – urządzenia do przeprowadzania i kontrolowania fuzji jądrowej. Tokamak posiada komorę w kształcie obwarzanka. Wewnątrz komory znajduje się gaz – mieszanina deuteru i trytu. Pod wpływem pola generowanego przez elektromagnesy następują wyładowania elektryczne w gazie które doprowadzając gaz do stanu gorącej plazmy. Dzięki silnemu polu magnetycznemu plazma jest utrzymywana w kształcie wąskiego strumienia – z dala od ścian komory.

Projekt tokamaka opracowany na potrzeby programu ITER – rozmiar człowieka na dole obrazka świadczy o rozmiarach urządzenia.

Aby zainicjować reakcję fuzji jądrowej deuter i tryt trzeba podgrzać do temperatury rzędu 150 milionów ºC. W takiej temperaturze wszelka materia jest w stanie plazmy – gazu przewodzącego prąd elektryczny. Aby uwalnianie energii fuzji zachodziło w sposób ciągły plazma musi być stale podgrzewana, ograniczana za pomocą silnych pól magnetycznych oraz kontrolowana.

Będzie on zbudowany na południu Francji w miejscowości Cadarache. Skala przedsięwzięcia jest bezprecedensowa – program ma trwać 30 lat i kosztować 10 mld euro. Bierze w niej udział: Unia Europejska , USA, Rosja, Japonia, Chiny, Indie i Korea Płd.

ITER będzie tokamakiem generującym w sposób ciągły 500 milionów watów (MW) energii z reakcji fuzji jądrowej, przez okresy czasu trwające do 10 minut. Jego moc będzie więc trzydzieści razy większa od mocy urządzenia JET (największy dotychczas zbudowany tokamak) i prawie taka, jak moc elektrowni przemysłowych w przyszłości. Projekt ITER pozwoli naukowcom na zbadanie, po raz pierwszy w historii tych badań, fizyki samopodgrzewającej się plazmy, czyli plazmy, która jest nagrzewana głównie w wyniku reakcji fuzji jądrowej, a nie za pomocą źródeł zewnętrznych. ITER zademonstruje kluczowe technologie fuzji jądrowej jako bezpiecznego dla środowiska źródła energii i pozwoli na ich udoskonalenie.
(źródło:
http://ec.europa.eu/research/leaflets/iter/index_pl.html)

Wnętrze największego dotychczas zbudowanego tokamaka JET – po prawej stronie tokamak podczas pracy.

ITER dostarczy podstaw do budowy prototypowej elektrowni generującej prąd. Jest to kolejny, zasadniczy krok na drodze do osiągnięcia celu jakim jest opanowanie fuzji jądrowej jako źródła energii na skalę przemysłową.