Czy fuzja jądrowa może zadziałać? Realistyczna analiza poza wielkimi obietnicami

22 minute read

Zaktualizowano Mon Dec 14 2020

W jądrze Słońca fuzja jądrowa zachodzi pod silnym ciśnieniem i w temperaturze 15 000 000°C. Czy naprawdę możemy stworzyć takie warunki na Ziemi? Okazuje się, że tak!

Ziemka spawająca Słońce

Istnieje wiele typów reaktorów termojądrowych i pracuje nad nimi wiele firm i laboratoriów. Istnieją również propozycje wykorzystania paliw innych niż tryt i deuter. Aby ten artykuł był stosunkowo krótki, a zarazem szczegółowy, zajmiemy się tylko tym typem reaktora, który prowadzi w wyścigu od 2020 roku: tokamakiem. Aby poznać inne typy, zajrzyj do rozdziału „Otwarte problemy"!

3 szalone warunki fuzji jądrowej

Cel jest jasny: aby doszło do fuzji deuteru i trytu, musimy sprawić, by ich jądra się zetknęły, zużywając przy tym mniej energii, niż wytwarza reakcja fuzji.

Warunek 1: Wytworzenie plazmy. Aby jądra atomów mogły się zetknąć, musimy najpierw uwolnić atomy od ich elektronów. Robi się to poprzez podgrzanie mieszaniny do temperatury ponad 100 000 000°C. Powstałe w ten sposób elektrony swobodne i jądra tworzą plazmę. Podobnie jak ciało stałe, ciecz i gaz, plazma jest po prostu kolejnym stanem skupienia materii:

Plazma - czwarty stan skupienia materii

Warunek 2: Gęstość. Gęstość opisuje, jak wiele cząsteczek jest upakowanych w określonej objętości. W przypadku fuzji jądrowej chcemy uzyskać dużą ilość deuteru i trytu w reaktorze termojądrowym.

Dlaczego tego potrzebujemy?


Warunek 3: Zamknięcie: Gdzie będziemy trzymać tę ekstremalnie gorącą plazmę pod wysokim ciśnieniem? Potrzebujemy specjalnego pojemnika, który może wytrzymać takie warunki przez stosunkowo długi czas. Czas, na który jesteśmy w stanie zamknąć tę energię gwałtownie wzrósł w ostatnich latach z 30 sekund w 2013 roku do 101,2 sekundy w 2017 roku (nadal jest to rekord w 2020 roku).

Warunki fuzji jądrowej

Kiedy reaktor termojądrowy jest wystarczająco dobry?

Badania i inżynieria fuzji jądrowej mają dwa szerokie cele:

  • Sukces naukowy: Reaktory produkują więcej energii, niż wymagają do działania
  • Tania energia: Koszty są na tyle niskie, a wydajność na tyle wysoka, by energia mogła być sprzedawana tanio

Jak dotąd nie osiągnęliśmy nawet pierwszego celu.

Być może zastanawiasz się, dlaczego reaktory termojądrowe potrzebują energii do działania. Zgadnij!


Stosunek dostarczanej energii do zużywanej jest często nazywany „Q".

Produkcja netto energii termojądrowej

Możemy zrobić dwie rzeczy, by zwiększyć Q:

  • Zużywać mniej energii
  • Produkować więcej energii

Okazuje się, że te dwie rzeczy są ze sobą ściśle powiązane. W miarę jak zachodzi coraz więcej reakcji fuzji jądrowej (tj. produkujemy więcej energii), plazma podgrzewa się coraz bardziej. Oznacza to, że nie musimy już inwestować tyle energii w jej podgrzewanie. W pewnym momencie może ona nawet funkcjonować bez żadnego zewnętrznego dopływu ciepła!

Przez ostatnie 60 lat naukowcy pracowali nad wieloma różnymi metodami, aby to osiągnąć. Niestety prawie wszystkie z tych projektów utknęły na wartościach Q pomiędzy 0,0001 a 0,000001. Jednak jeden typ (nazywany „tokamakiem"), osiągnął Q=0,65.

Zobaczmy, jak to działa!

„Tokamak" - fuzyjny pączek

Tokamak: od deuteru do elektryczności

Przypomnij sobie nasze trzy problemy:

  • Podgrzanie plazmy do około 100 000 000°C.
  • Gęstość.
  • Zamknięcie plazmy na sekundy do minut.

Tokamak spełnia jednocześnie wymagania zamknięcia i gęstości wykorzystując silne pola magnetyczne. Te pola magnetyczne zmuszają ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jądra do poruszania się w kółko po ścieżce wewnątrz kształtu pączka z dziurką. Ponieważ magnesy otaczają plazmę, wytwarzają wysokie ciśnienie, które zwiększa gęstość plazmy.

Oddychaj głęboko. Usiądź, upewnij się, że rozumiesz do tej pory. Ponieważ teraz poruszymy niektóre z problemów, nad którymi obecnie pracują naukowcy zajmujący się fuzją jądrową.

Energetyczny pączek!

Skąd pochodzą deuter i tryt?

Deuter jest łatwy do znalezienia i powszechny - znajduje się w wodzie oceanicznej. Jednak natura wytwarza tylko kilka kilogramów trytu rocznie i nie istnieje coś takiego jak „fabryka trytu". Dzisiejsze eksperymenty fuzji jądrowej często pozyskują go z elektrowni atomowych, gdzie tryt jest produkowany jako odpad radioaktywny. Ale skąd go weźmiemy, jeśli przestaniemy używać reaktorów rozszczepieniowych?

Na szczęście istnieje sposób, aby reaktory termojądrowe generowały swój własny tryt. Teoretycznie moglibyśmy wykorzystać ten dodatkowy neutron do wytworzenia większej ilości trytu z deuteru! Pełna reakcja wykorzystuje deuter (1p1n) i Lit-6 (3p6n) jako wkład do produkcji helu:

Hodowla trytu

Używanie Litu-6 do produkcji trytu właściwie wprowadza więcej energii do systemu. Wykonanie tego w praktyce jest bardzo trudne i jest jednym z aktywnych obszarów badań i niepewności w energetyce termojądrowej.

Jak możemy wydobyć energię z tokamaka?!

Jak na razie jest dobrze. Mamy deuter i tryt, możemy je podgrzać i doprowadzić do fuzji. Ale jak wydobyć energię?

Pamiętaj, że neutrony nie mają ładunku. Pola magnetyczne oddziałują tylko z cząsteczkami naładowanymi elektrycznie. Oznacza to, że pole magnetyczne, tak silne jak tylko może być, nie może zatrzymać neutronów prędkich pochodzących z reakcji fuzji.

Te neutrony prędkie są zarówno najcenniejszym, jak i najbardziej irytującym aspektem fuzji. Cennym, ponieważ to właśnie z ich prędkości czerpiemy energię, a irytującym, ponieważ uszkadzają ściany reaktora. Jak możemy to rozwiązać?

Koc

Na (powtórzonej) powyższej grafice pomiędzy plazmą a magnesami widać warstwę zwaną kocem. Neutrony prędkie są spowalniane wewnątrz koca, a ich energia kinetyczna przekazywana jest do jego ogrzania. Gorący koc jest z kolei wykorzystywany do ogrzewania wody, która następnie obraca turbinę parową (podobnie jak robią to reaktory rozszczepieniowe i elektrownie węglowe).

To działa w teorii, ale w praktyce trudno jest zbudować koc, który jest wydajny i odporny na uszkodzenia od szybko poruszających się neutronów.

Jak możemy ulepszyć tokamaki?

Pomijając kwestie związane z kocami, wciąż nie osiągnęliśmy Q>1. Istnieją dwie szczególnie ważne zmienne w reaktorze termojądrowym, które możemy kontrolować, aby wpływać na ilość energii uwalnianej w reaktorze termojądrowym:

  • R: Promień tokamaka
  • B: Siła pola magnetycznego

Jak bardzo rośnie koszt tokamaka wraz z promieniem R?


Zatem jak duże muszą być reaktory, aby osiągnąć rozsądne wartości Q? ITER jest największym w historii międzynarodowym eksperymentem naukowym, którego celem jest osiągnięcie Q=10. Jak duży jest reaktor ITER?

Reaktor ITER

Widzisz tę osobę na dole? Ten reaktor jest OGROMNY.

Ze względu na swój rozmiar ITER kosztował dziesiątki miliardów dolarów, a jego budowa trwa już dziesiątki lat. Pamiętasz wykres Q z poprzedniej części? Zastanawiasz się, dlaczego się zatrzymał? Teraz już wiesz! Reaktory stały się zbyt duże, co oznacza, że ich budowa trwa zbyt długo.

Synteza jądrowa na przestrzeni czasu

Liczba na osi y to tak zwany „potrójny produkt fuzji". Jest to przybliżony wskaźnik ilości energii produkowanej przez reaktor termojądrowy i jest definiowany jako iloczyn trzech kluczowych cech reaktora termojądrowego:

Potrójny produkt fuzji

ITER jest eksperymentem naukowym, a nie reaktorem komercyjnym. Komercyjny reaktor musiałby być prawdopodobnie jeszcze większy. Jasne jest, że zwiększanie promienia (R) nie jest obiecujące. A co z natężeniem pola magnetycznego (B)?

Czy silniejsze magnesy mogą sprawić, że reaktory będą mniejsze i tańsze?

ITER vs ARC

Przypomnienie: im silniejsze pole magnetyczne tworzymy, tym więcej fuzji uzyskujemy. Dlaczego?


Wywołanie pola magnetycznego wymaga, abyśmy przepuścili prąd przez cewki pola elektromagnetycznego w tokamaku. W większości materiałów, prąd zużywa energię, ponieważ część elektryczności jest tracona jako ciepło z powodu oporu. Jednak niektóre materiały - zwane nadprzewodnikami - mają zdolność przepuszczania przez siebie prądu bez strat ciepła, ponieważ nie ma oporu dla prądu.

Ostatnie prace nad rodzajem magnesu nadprzewodzącego zwanego REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide) pozwoliły na prawie dwukrotne zwiększenie natężenia pola magnetycznego, „B"! Czynnikiem ograniczającym jest teraz wytrzymałość stali i betonu, które trzymają wszystko razem - przy pełnej mocy magnesy rozerwałyby reaktor na strzępy.

Użycie magnesów REBCO jest prawdopodobnie istotnym krokiem na drodze do niedrogich reaktorów termojądrowych o Q > 1.

Co ważne, ITER nadal używa starych, słabszych nadprzewodników.

Podsumowanie

Fuzja termojądrowa zawsze była „technologią przyszłości", ale my naprawdę zbliżamy się do Q=1.

Prywatne firmy i laboratoria uniwersyteckie pracują obecnie nad zintegrowaniem magnesów REBCO z reaktorami termojądrowymi typu tokamak. Ich postępy będą kluczowym wskaźnikiem potencjału fuzji, ale osiągnięcie Q większego niż 1 nie jest jedynym problemem w badaniach nad fuzją.

Istnieje wiele otwartych problemów w technologii koców, hodowli trytu i ochronie reaktora. Jest to ogromne źródło niepewności. Niemniej jednak, w ciągu najbliższych dziesięcioleci prawdopodobnie dowiemy się, czy fuzja jądrowa może być czystym i powszechnym źródłem energii, na jakie liczymy.

Następny rozdział