) |
| Schemat urzdzenia typu tokamak |
Czy za wiadomo moe by jednoczenie dobr? Paradoksalnie tak. Przewiduje si, e do roku 2050, w zwizku ze wzrostem ludnoci, a co za tym idzie - podwyszonym standardem ycia, zapotrzebowanie na energi ulegnie dwukrotnemu zwikszeniu w porwnaniu z poziomem obecnym. Tymczasem zapasy ropy, gazu czy wgla powoli si wyczerpuj, a energie odnawialne s albo zbyt drogie albo za mao wydajne. Skania to naukowcw do nieustajcego poszukiwania kolejnych rde. Jednym z nich moe si okaza kontrolowana synteza termojdrowa.
- Jest ona w stanie zapewni dostatecznie due iloci energii, praktycznie nieskoczone, przy tym bdzie rdem bezpiecznym, dostpnym w kadym punkcie kuli ziemskiej i nie powodujcym emisji gronych gazw do atmosfery - wyjania doktor habilitowany Andrzej Gakowski z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie, a od pocztku tego roku kierownik polskiej Asocjacji EURATOM-u.
Bierze ona udzia w wielkim midzynarodowym projekcie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). W jzyku aciskim &8222;ITER&8221; znaczy tyle co &8222;droga&8221; i nazwa ta nie jest przypadkowa, jak tumaczy doktor Gakowski, nawizuje bowiem do drogi ku nowemu rdu energii - bezpiecznemu, przyjaznemu rodowisku i praktycznie niewyczerpalnemu.
ITER buduje si wanie po to, aby udowodni, e synteza termojdrowa moe by podstaw dziaania elektrowni. W zasadzie pokaza to ju tokamak JET (Joint European Torus) - najwiksze obecnie na wiecie urzdzenie termojdrowe i jedyne, ktre moe pracowa na mieszaninie deuteru i trytu. Tyle e, jak kady transformator, dziaa on impulsowo. Elektrownia musi pracowa cigle.
- Tokamak to komora toroidalna, w ktrej plazma jest utrzymywana i stabilizowana za pomoc silnego pola magnetycznego w kombinacji ze znacznie sabszym polem poloidalnym, wytwarzanym przez prd pyncy w plazmie i indukowanym akcj transformatora, ktrym w istocie jest tokamak - tumaczy wszelkie zawioci dr Gakowski.
Budowany midzy innymi przez Polakw, ITER bdzie rwnie tokamakiem, ale znacznie wikszym ni zbudowany koo Oxfordu JET i wyposaonym w zupenie nowe w tego typu obiektach elementy konstrukcyjne. Podstawowym bdzie blanket otaczajcy komor reaktora. W warstwie tej neutrony z reakcji syntezy bd oddawa swoj energi kinetyczn i reagowa z litem. W ten sposb zostanie wyprodukowany tryt, ktry nastpnie bdzie wprowadzany do komory i poczy si z deuterem. W ostatecznym rozrachunku paliwem reaktora bd wic deuter i lit. Innym wanym elementem ITER-a bd nadprzewodzce cewki magnetyczne oraz bardzo skomplikowana, a co za tym idzie - droga cz, zwana diwertorem. Posuy ona do odprowadzania &8222;popiou&8221;, czyli helu.
- ITER osignie te stan reakcji samopodtrzymujcej si, to znaczy energia wydzielana wskutek syntezy wystarczy do utrzymania wysokiej temperatury, niezbdnej do tego, aby zachodziy reakcje syntezy. Stan ten nazywa si stanem zaponu. Ze wzgldu na du moc, ogromn rol odegraj elementy odpowiedzialne za przenoszenie duych strumieni energii cieplnej. Obecno trytu i radiacyjnie aktywowanych elementw konstrukcyjnych reaktora wymusza, po raz pierwszy na tak skal, zastosowanie w peni zautomatyzowanych systemw obsugi urzdzenia.
Przy tworzeniu poszczeglnych elementw konstrukcyjnych spory wkad bd mieli polscy uczeni. Naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy oraz Instytutu Problemw Jdrowych ju buduj kamery do szybkiej fotografii plazmy w wietle widzialnym i wietle promieniowania rentgenowskiego, pprzewodnikowe detektory promieniowania rentgenowskiego, detektory neutronw (metod aktywacji), detektory Czerenkowa do rejestracji promieniowania czstek poruszajcych si z prdkoci wiksz od prdkoci wiata oraz detektory szybkich produktw reakcji syntezy. Urzdzenia te bd suyy do badania procesw zachodzcych w plazmie.
- Dla obydwu orodkw to due wyzwanie. Do tej pory mielimy do czynienia jedynie z impulsow, gst plazm typu pinch, teraz nasze dowiadczenia musimy przenie na rzadk, quasi-stacjonarn plazm tokamaka - przyznaje dr Gakowski.
Uczeni z Politechniki Warszawskiej prowadz z kolei prace zwizane z charakteryzacj materiau powierzchni tokamaka, niszczonego oddziaywaniem z plazm i z promieniowaniem neutronowym. Ma to na celu poszukiwanie coraz lepszych materiaw konstrukcyjnych, w tym takich, ktre byyby zdolne do przenoszenia duych strumieni ciepa, na przykad kompozytw wolframowo-miedzianych. Polacy opracowuj te zupenie innowacyjn laserow technologi oczyszczania wewntrznej komory tokamaka z trytu, ktry osadza si w cienkiej warstwie na powierzchni komory. Oczyszczanie bdzie polega na odparowaniu tej warstwy za pomoc promieniowania laserowego, a nastpnie usuwaniu powstajcego pyu z komory tokamaka. W sumie, w realizacji programu z polskiej strony bierze udzia ponad stu pracownikw naukowych, inynierw i technikw.
Ale w projekcie uczestnicz rwnie inne pastwa Unii Europejskiej (m.in.: Wochy, Niemcy, Hiszpania, Francja i Wielka Brytania), Stany Zjednoczone, Japonia, Korea Poudniowa, Rosja i Chiny. Europejczycy odpowiadaj za modu pola toroidalnego oraz kaset diwertora. Musi ona by wykonana z materiaw odpornych na due obcienia termiczne, na przykad stopw wolframu. Diwertor bdzie niszczony promieniowaniem neutronowym i cieplnym, a w zwizku z tym kaseta bdzie co jaki czas wymieniana. Do tego celu potrzebne jest opracowanie systemu zautomatyzowanej obsugi kasety, tak zwanych inteligentnych manipulatorw. Kraje europejskie bd te miay poowiczny udzia w budowie blanketu reaktora. Podstawowym zadaniem dla Japonii jest natomiast konstrukcja samego transformatora, to znaczy cewek uzwojenia pierwotnego i rdzenia. Azjaci skonstruuj rwnie system zautomatyzowanej obsugi komory (robotyka, zdalne manipulatory). Z kolei poczone siy USA, Japonii i Rosji zbuduj komor prniow tokamaka. Wszystkie prace musz zosta zakoczone w cigu najbliszej dekady, gdy uruchomienie reaktora planowane jest na rok 2015.
- Wydaje mi si, e jest to realny termin, jeli wemiemy pod uwag fakt, i JET by budowany cztery lata, a ITER jest przecie dwa razy wikszy - mwi dr Gakowski.
Kady z szeciu partnerw (UE wystpuje jako jeden podmiot) mia moliwo zgoszenia propozycji lokalizacji reaktora na swoim terenie. Ale musiaby wwczas pokry poow cakowitych kosztw programu. Tymczasem, wedug ostronych szacunkw, budowa, eksploatacja i likwidacja ITER-a przekroczy 10 miliardw euro. W naturalny wic sposb na placu boju pozostay jedynie UE i Japonia. Prawdopodobnie ITER stanie ostatecznie w Cadarache na poudniu Francji, niedaleko Aix-en-Provence.
Wiadomo ju, e projekt, jeli tylko si powiedzie, bdzie mia cig dalszy. Na razie rozpatrywane s dwa scenariusze. Pierwszy zakada, e po pomylnym zakoczeniu prac ITER-a zostanie zbudowany DEMO - demonstracyjny reaktor termojdrowy, a nastpnie PROTO - prototypowa elektrownia termojdrowa.
- Ostatnio zaproponowano scenariusz &8222;szybkiej cieki&8221;. Chodzi o to, by nadrobi zalegoci z ostatniego wierwiecza, kiedy nakady na badania termojdrowe ze rde publicznych zmalay o poow, oraz poczy etapy DEMO i PROTO w jeden.
Dziaania te stworzyyby szans na to, i synteza termojdrowa dostarczy energi do sieci jeszcze w tym wieku. Synteza jest wanie rdem energii Soca, gdzie cz si cztery protony (jdra wodoru), z ktrych dwa zamieniaj si na neutrony. Z tego powodu reakcje zachodz jednak bardzo wolno. Powsta zatem pomys, aby wykorzysta t sam zasad, ale czy jdra cikich izotopw wodoru, czyli deuteru i trytu, bez jednoczesnej zamiany protonw na neutrony. Potrzebna jest do tego temperatura rzdu 100-200 milionw stopni (w Socu - 14 milionw) oraz cinienie 1-2 atmosfer (w Socu - 400 miliardw atmosfer).
- Warunki do przeprowadzenia reakcji syntezy w Socu i na Ziemi s diametralnie rne, ale obowizuje ta sama zasada. W temperaturach rzdu 100-200 milionw stopni materia jest w stanie plazmy i musi by zamknita w niematerialnej puapce. Jest ni specjalna konfiguracja pola magnetycznego, wytwarzanego w ITER-ze przez magnesy nadprzewodzce. Puapka musi mie ksztat torusa i dlatego wszystkie urzdzenia termojdrowe maj ksztat... amerykaskiego pczka z dziurk, czyli donuta.
Ju cakiem powanie dr Gakowski podkrela, i synteza termojdrowa jest najwydajniejszym rdem energii ze wszystkich moliwych. Do powiedzie, e jeden gram mieszaniny deuteru i trytu daje 90 MWh energii cieplnej, co przy typowej sprawnoci konwersji daje 30 MWh energii elektrycznej. Do wytworzenia obecnie produkowanej na caym wiecie energii potrzeba wic okoo 1000 ton deuteru na rok. Typowa elektrownia termojdrowa bdzie potrzebowaa jednej ciarwki z deuterem o adownoci 10 ton. Ciarwka podjeda bdzie do elektrowni raz na rok, natomiast hel - produkt reakcji - bdzie wypuszczany do atmosfery.
- Ilo deuteru, ktry znajduje si w wodzie morskiej, wystarczy na 100 milionw lat. Dlatego te to rdo traktuje si jako praktycznie niewyczerpalne. Aby moje sowa byy jeszcze bardziej przekonujce, przytocz inne porwnanie: 1 litr wody daje tyle energii, ile 300 litrw benzyny. Jest o co walczy - przekonuje dr Gakowski.
Zadaniem ITER-a bdzie te pokazanie, e ten sposb wytwarzania energii elektrycznej jest cakowicie bezpieczny i przyjazny dla rodowiska i spoeczestwa. Przewiduje si, e do roku 2050 zapotrzebowanie na energi wzronie dwukrotnie w porwnaniu z poziomem obecnym. Ju teraz w UE 50 procent energii pochodzi z dostaw spoza kontynentu, a za wier wieku bdzie to ju 70 procent. Eksperci podkrelaj, e nie chodzi jednak tylko o zwikszone zapotrzebowanie na energi i niezaleno w tym wzgldzie. To take kwestia produkcji energii, ktra nie jest zwizana z emisj do atmosfery gazw cieplarnianych oraz kurczcymi si zapasami ropy, gazu i wgla. Tymczasem energie odnawialne - soneczna, wiatrowa czy pyww - nie s w stanie sprosta potrzebom. Moe z wyjtkiem sonecznej, ale ta jest z kolei bardzo droga, a poza tym dostpna na poudniu, czyli nie tam, gdzie jest najwiksze zapotrzebowanie. Pozostaje wprawdzie jeszcze alternatywna energia pochodzca z rozszczepienia uranu, ale przecie zoa tego surowca te s ograniczone i to rdo rwnie kiedy si wyczerpie. W tej sytuacji wydaje si, e jedynie synteza jest w stanie speni wszelkie warunki postawione przez cywilizacj.
- W przypadku syntezy konwencjonalne ryzyko zwizane z reaktorem nie jest wiksze ni ryzyko zwizane z eksploatacj dowolnej instalacji przemysowej. Ryzyko jdrowe jest minimalne i ewentualna awaria bdzie miaa skutki ograniczone wycznie do terenu elektrowni. Ograniczone iloci odpadw radioaktywnych, po likwidacji elektrowni, nie bd obcieniem dla przyszych pokole. Natomiast &8222;popi&8221; ze spalania termojdrowego, czyli hel, jest cakowicie bezpieczny i moe suy do napeniania balonw dla dzieci lub do zabawy z mwieniem cienkim gosem - mwi dr Gakowski.
Tokamak JET pokaza, e produkcja energii na drodze syntezy lekkich jder jest moliwa. Mj rozmwca stawia jednak zasadnicze pytanie: czy i kiedy bdziemy w stanie opracowa technologi, ktra pozwoli produkowa energi elektryczn z syntezy na skal przemysow, a energetyka termojdrowa stanie si ekonomicznie opacalna? Zamiast odpowiedzi przytacza swoj ulubion anegdot.
- Nieyjcy ju dyrektor Orodka Bada Termojdrowych w Culham koo Oksfordu uj to tak: &8222;Mamy tak wizj, e na brzegu morza postawimy elektrowni, ktra bdzie zasilana wod morsk, kominem bdzie ulatywa hel, a do sieci bdzie pyn w ogromnych ilociach prd elektryczny. Nie wiemy tylko, co ma by w rodku tej elektrowni&8221;. Powiedzia to p wieku temu. Od tego czasu dokonalimy ogromnego postpu, nieprawda?