Znana jest jedna anegdota: za dwadzieścia lat nastąpi fuzja jądrowa. Zawsze będzie za dwadzieścia lat. Ten żart, który już nie jest już śmieszny, wyrósł z optymizmu naukowców, którzy w latach pięćdziesiątych (iw każdej następnej dekadzie) wierzyli, że fuzja jądrowa jest już za 20 lat. Teraz ta anegdota została poważnie potraktowana przez startup - pochodzący z MIT (Massachusetts Institute of Technology), bardzo szanowanej i znanej instytucji: Commonwealth Fusion Technologies. Startup obiecuje uruchomienie działającego reaktora syntezy jądrowej za 15 lat. Obiecuje tanią, czystą i nieograniczoną energię, która rozwiąże wszystkie kryzysy związane z paliwami kopalnymi i zmianami klimatycznymi. Dlatego mówią: „potencjalnie niewyczerpane i wolne od węgla źródło energii”.
Jedyny problem: słyszeliśmy to już wiele razy. Co się zmieniło tym razem?
Inny słynny stereotyp dotyczy energii fuzji. Pomysł jest prosty: umieszczasz słońce w butelce. Pozostaje tylko zbudować butelkę. Energia fuzyjna napędza gwiazdy, ale plazma potrzebuje niewiarygodnie gorących i gęstych warunków.
Ogromna ilość energii może zostać uwolniona, gdy dwa lekkie jądra połączą się ze sobą: fuzja deuter-tryt, która jest przeprowadzana w ramach eksperymentu ITER, emituje 17,6 MeV na reakcję, milion razy więcej energii na cząsteczkę niż w wyniku eksplozji trotylu. Ale aby uwolnić tę energię, musisz przezwyciężyć potężne odpychanie elektrostatyczne między jądrami, które są naładowane dodatnio. Silne oddziaływanie na krótkich odległościach prowadzi do fuzji, która uwalnia całą tę energię, ale jądra muszą być bardzo blisko - na femtometrach. W gwiazdach dzieje się to samo z powodu kolosalnego nacisku grawitacyjnego na materiał, ale na Ziemi jest to trudniejsze.
Najpierw musisz spróbować znaleźć materiały, które przetrwają po wystawieniu na działanie temperatur setek milionów stopni Celsjusza.
Plazma składa się z naładowanych cząstek; materia i elektrony są wypłukiwane. Może być utrzymywane na miejscu przez pole magnetyczne, które składa plazmę w okrąg. Manipulacje polem magnetycznym umożliwiają również kompresję tej plazmy. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych pojawiła się cała generacja urządzeń o egzotycznych nazwach: zaprojektowanych do tego celu Stellarator, Per Maybeatron, Z-Pinch. Ale plazma, którą próbowali utrzymać, była niestabilna. Sama plazma generuje pola elektromagnetyczne, można to opisać bardzo złożoną teorią magnetohydrodynamiki. Nieznaczne odchylenia lub wady na powierzchni plazmy szybko wymknęły się spod kontroli. Krótko mówiąc, urządzenia nie działały zgodnie z przeznaczeniem.
Związek Radziecki opracował urządzenie tokamak, które zapewniało znacznie lepszą wydajność. W tym samym czasie wynaleziono laser, pozwalający na nowy rodzaj syntezy - syntezę z uwięzieniem inercyjnym.
W tym przypadku nie ma już potrzeby utrzymywania plazmy spalającej się w polach magnetycznych, konieczne jest jej sprężenie eksplozją w krótkim czasie za pomocą laserów. Ale eksperymenty z uwięzieniem bezwładnościowym również cierpiały z powodu niestabilności. Działają od lat 70. XX wieku i może pewnego dnia osiągną swój cel, ale największe do tej pory - National Ignition Laboratory w Livermore w Kalifornii - nigdy nie osiągnęło progu rentowności, w którym więcej energii zostanie wyprodukowane niż zużyte.
Film promocyjny:
Wiele nadziei wiąże się z ITER, największym na świecie tokamakiem termojądrowym z zamknięciem magnetycznym, który jest wciąż w budowie.
Twórcy projektu mają nadzieję, że w ciągu 20 minut zapalą plazmę i wygenerują 500 MW mocy przy nominalnym wkładzie 50 MW. Pełne eksperymenty termojądrowe planowane są na 2035 rok, ale problemy ze współpracą międzynarodową między USA, ZSRR (wtedy jeszcze), Japonią i Europą doprowadziły do długich opóźnień i rozciągania budżetu. Projekt jest opóźniony o 12 lat i kosztuje 13 miliardów dolarów. Nie jest to rzadkością w przypadku projektów, które wymagają budowy ogromnych instalacji.
Zgodnie z planem ITER pierwszy reaktor termojądrowy, który będzie działał jako elektrownia rozpalająca i wspomagająca syntezę, DEMO, powinien zacząć działać w 2040, a nawet 2050 roku. Innymi słowy, fuzja jądrowa … nastąpi za dwadzieścia lat. Istnieje tendencja do rozwiązywania problemów związanych z niestabilnością poprzez budowanie coraz większej liczby obiektów. ITER będzie większy niż JET, a DEMO będzie większy niż ITER.
Przez lata wiele zespołów rzucało wyzwanie międzynarodowej współpracy przy mniejszych projektach. Nie chodzi o szybkość, ale o praktyczność. Jeśli naprawdę zbudowanie reaktora termojądrowego zajmie miliardy dolarów i dziesiątki lat, czy w ogóle będzie tego warte? Kto zapłaci za budowę? Być może do czasu budowy działającego tokamaka połączenie paneli słonecznych i nowych baterii dostarczy nam energii, która będzie tańsza niż ta wytworzona na tokamaku. Niektóre projekty - nawet osławiona „zimna fuzja” - okazały się fałszywe lub nie działały.
Inni zasługują na więcej uwagi. Startupy z nowymi projektami reaktorów termojądrowych - lub, w niektórych przypadkach, poprawione wersje starszych prób.
Tri Alpha oczekuje, że zderzy chmury plazmy w strukturze przypominającej Wielki Zderzacz Hadronów, a następnie utrzyma syntetyzującą plazmę w polu magnetycznym wystarczająco długo, aby wyrównać i wytworzyć moc. Udało im się osiągnąć wymagane temperatury i utrzymywanie plazmy w ciągu kilku milisekund, a także zebrać ponad 500 milionów dolarów kapitału podwyższonego ryzyka.
Lockheed Martin Skunk Works, znane ze swoich tajnych projektów, zrobiło furorę w 2013 roku, ogłaszając, że pracują nad kompaktowym reaktorem termojądrowym o mocy 100 MW wielkości silnika odrzutowego. Wówczas stwierdzili, że prototyp będzie gotowy za pięć lat. Oczywiście nie ujawnili szczegółów konstrukcyjnych. W 2016 roku potwierdzono, że projekt otrzymuje dofinansowanie, ale wielu już straciło wiarę i nabrało sceptycyzmu.
Na tle całej tej hańby naukowcy z MIT wpadli na ring. Bob Mumgaard, dyrektor generalny Commonwealth Fusion Energy, powiedział: „Jesteśmy zdeterminowani, aby na czas uzyskać stanowisko pracy, aby przeciwdziałać zmianom klimatycznym. Uważamy, że nauka, szybkość i skalowalność projektu zajmie piętnaście lat”.
Nowy projekt MIT jest zgodny z projektem tokamaka, tak jak miało to miejsce w przeszłości. Urządzenie SPARC ma wytwarzać 100 MW energii w 10 sekundowych impulsach ograniczających. Już wcześniej możliwe było uzyskiwanie energii z impulsów, ale tym, co naprawdę przyciąga naukowców, jest próg rentowności.
Specjalnym sosem w tym przypadku są nowe wysokotemperaturowe magnesy nadprzewodzące wykonane z tlenku itru, baru i miedzi. Biorąc pod uwagę, że HTSM może wytwarzać silniejsze pola magnetyczne w tej samej temperaturze co konwencjonalne magnesy, możliwe jest kompresowanie plazmy z mniejszą mocą wejściową, mniejszym urządzeniem magnetycznym i osiągnięcie warunków syntezy w urządzeniu, które jest 65 razy mniejsze niż ITER. W każdym razie taki jest plan. Mają nadzieję, że w ciągu najbliższych trzech lat stworzą magnesy nadprzewodzące.
Naukowcy są optymistyczni: „Naszą strategią jest stosowanie konserwatywnej fizyki w oparciu o dziesięciolecia pracy w MIT i innych miejscach” - powiedział Martin Greenwald, zastępca dyrektora Centrum Nauk o Plazmie i Fuzji na MIT. „Jeśli SPARC osiągnie oczekiwaną wydajność, mój instynkt podpowiada, że można go rozbudować do prawdziwej elektrowni”.
Istnieje wiele innych projektów i startupów, które podobnie obiecują ominięcie wszelkiego rodzaju tokamaków i budżetów współpracy międzynarodowej. Trudno powiedzieć, czy któryś z nich odnajdzie tajny składnik syntezy, czy też wygra ITER, mający swoją wagę w środowisku naukowym i poparcie krajów. Nadal trudno powiedzieć, kiedy i czy fuzja stanie się najlepszym źródłem energii. Synteza jest trudna. Tak przedstawia się historia.
Ilya Khel