Fuzja jądrowa to święty Graal współczesnej nauki. Opanowanie procesu, w wyniku którego energia powstawałaby w ten sam sposób, w jaki generowana jest wewnątrz Słońca, dałoby ludzkości właściwie nieograniczone źródło prądu. W warunkach katastrofy klimatycznej, kiedy odejście od paliw kopalnych jest palącą koniecznością, pozwoliłoby również zahamować dramatyczny wzrost temperatury. A w efekcie – nieprzewidywalne zmiany klimatu.
Jak bardzo wydajna jest fuzja jądrowa? Naukowcy pracujący przy tokamaku JET podają, że kilogram paliwa, które jest wykorzystywane w ich urządzeniu, zawiera 10 milionów razy więcej energii niż kilogram węgla, ropy naftowej czy gazu. Nie emituje również żadnych gazów cieplarnianych.
Co jest paliwem w reaktorach termojądrowych?
Fuzja jądrowa może być uzyskana na kilka różnych sposobów. W tej chwili najwięcej nadziei wiąże się z tzw. tokamakami. Tokamaki mają kształt pączka z dziurką w środku. Wewnątrz nich znajduje się paliwo termojądrowe, czyli mieszanka dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. W odpowiednio wysokich temperaturach izotopy te łączą się ze sobą, generując ogromne ilości energii.
Diabeł jednak tkwi w szczegółach. Wewnątrz Słońca, czyli w naturalnym środowisku, gdzie zachodzi fuzja jądrowa, temperatura wynosi 15 mln st. C. Panuje tam również gigantyczne ciśnienie. Ten drugi parametr jest nie do osiągnięcia na Ziemi.
To oznacza, że w ziemskich elektrowniach termojądrowych trzeba będzie uzyskiwać znacznie większe temperatury niż wewnątrz Słońca. W zależności od tokamaka to 120, a nawet 150 mln stopni Celsjusza.
Jakby tego było mało, rozgrzane paliwo jądrowe, czyli powstająca wewnątrz tokamaka plazma, nie może dotykać jego ścianek. Utrzymaniu plazmy z dala od tokamaka służy silne pole magnetyczne wytwarzane przez potężne elektromagnesy.
Co to jest limit Greenwalda?
O opanowaniu reakcji jądrowej i wykorzystaniu jej jako źródła energii mówi się od pięćdziesięciu lat. Od kilkudziesięciu naukowcy pracują nad tym, wykorzystując eksperymentalne tokamaki różnej wielkości. Jednak od eksperymentu do pierwszej elektrowni termojądrowej wiedzie bardzo długa droga.
Jak się okazuje, trudności, jakie są do pokonania, nie są wyłącznie inżynieryjnej natury. W czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” ukazała się właśnie praca, która podważa podstawowe prawo określające, jak gęste ma być paliwo wykorzystywane w tokamakach. Prawo to – tzw. limit Greenwalda – zostało sformułowane ponad trzydzieści lat temu.
– Żeby stworzyć plazmę, którą wykorzystasz do fuzji, musisz zagwarantować trzy rzeczy: wysoką temperaturę, szczelne pomieszczenie i odpowiednio gęste paliwo wodorowe – mówi Paolo Ricci ze Szwajcarskiego Centrum Plazmowego, jeden z autorów przełomowej pracy.
– Jednym z ograniczeń jest ilość wodorowego paliwa, które dostarczasz do tokamaka – opowiada Ricci. – Od początku prac nad fuzją jądrową było wiadomo, że jeśli będzie go zbyt dużo, plazma zrobi się zupełnie nieprzewidywalna. I nie da się jej utrzymać wewnątrz ścianek tokamaka – wyjaśnia.
Rozwiązaniem było prawo sformułowane w 1988 r. przez Martina Greenwalda. Określało ono, ile paliwa może znaleźć się wewnątrz tokamaka, w zależności od jego wewnętrznego promienia i ilości prądu przepływającego przez plazmę.
Ile energii może dostarczyć fuzja jądrowa?
Limit Greenwalda został obliczony na podstawie danych eksperymentalnych. Naukowcy postanowili teraz ponownie sprawdzić, czy jest poprawny. Wykorzystali dane z trzech tokamaków: brytyjskiego Joint European Torus (JET), niemieckiego ASDEX Upgrade i szwajcarskiego TCV.
Wyniki wykazały, że limit Greenwalda jest dwukrotnie zaniżony. To oznacza, że wewnątrz tokamaka da się wytworzyć dwa razy więcej plazmy niż dotychczas sądzono. Tym samym będzie on generował znacznie więcej prądu. Dokładnie ile więcej, jeszcze nie wiadomo.
Odkrycie jest bardzo istotne. Limit Greenwalda jest podstawą działania największego eksperymentalnego tokamaka, ITER, który powstaje we Francji. ITER jest już gotowy w 80 proc. Ma zacząć działać w 2025 r., po czym – korzystając ze zdobytych przy nim doświadczeń – powstanie pierwsza elektrownia termojądrowa (DEMO).
Zmiana limitu Greenwalda oznacza więc zmianę teoretycznych założeń opisujących działanie ITER. Według optymistycznych założeń DEMO ma zacząć dostarczać prąd do sieci energetycznych w 2050 r.
Źródła: Physical Review Letters, phys.org, Live Science.
