Rosnące zapotrzebowanie na energię oraz chęć osiągnięcia neutralności emisyjnej do 2050 roku sprawiają, że coraz intensywniej poszukuje się nowszej technologii spełniających wymagania z zakresu ochrony klimatu oraz zapewniające stałe dostawy energii. Jedną z odpowiedzi może być fuzja jądrowa – bezpieczne i bez emisyjne źródło energii przyszłości.
Fuzja jądrowa – jak działa energia przyszłości?
Fuzja jądrowa to proces, w którym jądra deuteru i trytu łączą się, uwalniając ogromne ilości energii.Aby go osiągnąć, gaz z tych izotopów wodoru musi zostać podgrzany do około 100 milionów stopni Celsjusza i utrzymany pod wysokim ciśnieniem. W reakcji powstaje hel, neutron oraz czysta energia. W przeciwieństwie do rozszczepienia jądrowego, które uwalnia energię przez rozpad atomów ciężkich pierwiastków – fuzja łączy atomy lekkich pierwiastków tworząc cięższe. Różnica mas pomiędzy początkowymi jądrami, a produktem fuzji jest uwalniana w postaci energii – ilość energii wynika z równania Einsteina. Według MIT produkcja energii z fuzji rośnie z kwadratem ciśnienia – podwojenie ciśnienia prowadzi do czterokrotnego wzrostu wydajności.
Plazma gorętsza niż Słonce
Fuzja w Słońcu zachodzi w ekstremalnych warunkach – temperatura w jego jądrze sięga 15 milionów stopni Celsjusza, a niestabilna plazma jest tam utrzymywana dzięki ogromnej masie i sile grawitacji Słońca. Siła grawitacyjna, jaką generuje nasza gwiazda, jest niemożliwa do odtworzenia na Ziemi.
Z tego powodu naukowcy muszą znaleźć inny sposób na wytworzenie i utrzymanie plazmy, w której może dojść do fuzji. Jednym z podejść jest „fuzja magnetycznie uwięziona”, w której silne pola magnetyczne utrzymują plazmę w toroidalnym kształcie i podgrzewają ją do momentu, aż wodór zacznie się łączyć. Aby osiągnąć fuzję bez gigantycznej grawitacji Słońca, tokamaki muszą generować temperatury znacznie wyższe niż w jądrze naszej gwiazdy. Na przykład, gdy ITER Tokamak , urządzenie do syntezy jądrowej zaprojektowane w celu demonstracji naukowej i technologicznej wykonalności fuzji, zacznie działać, będzie osiągał temperatury rzędu 150 milionów stopni Celsjusza – czyli dziesięć razy więcej niż w sercu Słońca.
Cały ten proces wymaga ogromnych ilości energii, dlatego ostatecznym celem jest uzyskanie większej ilości energii z fuzji, niż jest potrzebne do jej podtrzymania. Wymaga to stabilnego utrzymywania plazmy przez długi czas oraz zapewnienia, że wszystkie elementy tokamaka stykające się z plazmą wytrzymają jej promieniowanie, nie powodując zanieczyszczeń ani awarii.
Bez CO2 i odpadów. Zalety fuzji, które mogą zmienić energetykę
Fuzja ma wiele zalet: nie emituje dwutlenku węgla, nie generuje długożyciowych odpadów promieniotwórczych, a jej paliwo – deuter i lit (z którego można pozyskać tryt) – jest szeroko dostępne. Dodatkowo wymaga mniejszych zasobów i paliwa niż rozszczepienie jądrowe stosowane aktualnie w elektrowniach jądrowych na świecie. Deuter występuje w wodzie morskiej w niemal niewyczerpanych ilościach, a lit znajduje się w znacznych zasobach na Ziemi. Elektrownie fuzyjne będą przyjazne dla środowiska i mogą zapewnić stabilne źródło energii na przyszłość.
Wodór, tryt i lit. Jak działa reaktor fuzyjny?
Najłatwiejszą do osiągnięcia reakcją fuzyjną jest synteza deuteru (D) i trytu (T), uwalniająca 17,6 MeV energii na jedno zdarzenie fuzyjne. To ponad czterokrotnie więcej energii na jednostkę masy niż rozszczepienie uranu-235.
W reaktorze fuzyjnym neutrony generowane w reakcji D-T są pochłaniane przez otaczający płaszcz zawierający lit, który przekształca się w tryt i hel. Płaszcz, o grubości około metra, spowalnia wysokoenergetyczne neutrony (14 MeV), a ich energia kinetyczna jest zamieniana w ciepło. To ciepło odbiera chłodziwo (np. woda, hel, stop Li-Pb), które zasila klasyczne turbiny produkujące energię elektryczną. W razie niedoboru trytu można go pozyskiwać z zewnętrznych źródeł, np. reaktorów rozszczepieniowych, jednak wiąże się to z wyzwaniami dotyczącymi przechowywania i transportu.
Największe wyzwania fuzji jądrowej
Największą trudnością pozostaje stworzenie systemu zdolnego do utrzymania paliwa D-T w ekstremalnych warunkach, tak aby uzyskana energia przewyższała zużycie na podtrzymanie reakcji. Choć badania koncentrują się na reakcji D-T, w przyszłości możliwa jest także fuzja D-D, wymagająca znacznie wyższych temperatur.
Mimo ogromnego potencjału fuzji jądrowej jej gęstość energetyczna jest znacznie niższa niż w reaktorach rozszczepieniowych, co może oznaczać konieczność budowy większych i droższych instalacji. Dodatkowo plazma termojądrowa jest mniej gęsta niż paliwo stałe, a neutrony powstające w reakcji D-T mają znacznie wyższą energię (14,1 MeV wobec 2 MeV w rozszczepieniu), co stanowi wyzwanie dla materiałów konstrukcyjnych.
Nowe rekordy plazmy. Tokamaki coraz bliżej przełomu
12 lutego bieżącego roku naukowcom udało się ustanowić nowy rekord generowania i podtrzymania supergorącej plazmy niezbędnej dla fuzji jądrowej. Reaktor testowy WEST typu tokamak w Cadarache we Francji podtrzymywał ją przez 22 minuty i 17 minut. Poprzedni rekord ustanowiony w styczniu 2025 roku należał do doświadczalnego Chińskiego EAST tokamaka i wynosił 17 minut i 46 sekund. Ten rozwój to kluczowy kamień milowy w dążeniu do uczynienia fuzji jądrowej realnym źródłem czystej i wydajnej energii. Jest to istotne, ponieważ generatory fuzyjne, takie jak Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny (ITER), obecnie budowany w południowej Francji, będą zależeć od zdolności do utrzymywania plazmy przez długi czas. Kolejnym krokiem dla WEST będzie dalsze wydłużenie czasu trwania plazmy, tak aby utrzymać ten ultraciepły gaz przez kilka godzin. Jednocześnie naukowcy będą pracować nad osiągnięciem temperatur wymaganych do przeprowadzenia fuzji na Ziemi.
Od eksperymentu do komercji. Czy fuzja wyprzedzi węgiel?
Niewątpliwie fuzja jądrowa jest przyszłością sektora energetycznego – nie pozostawia śladu węglowego, jest bezpieczna, dostępna, a paliwa jest pod dostatkiem. Według analiz MIT, w przyszłości fuzja może wyprzedzić węgiel jako główne źródło energii na świecie.
Pierwszy pokazowy reaktor fuzyjny, nazwany SPARC, ma zostać uruchomiony przez Commonwealth Fusion Systems w 2026 roku. Natomiast w 2027 roku ma on osiągnąć dodatnią energie netto (Q>0). Oczekuje się, że jako pierwsza osiągnie netto dodatnią produkcję energii, generując do 10 razy więcej energii, niż zużywa.
Przyszłość fuzji jest już teraz bliska – Dominion Energy i gubernator Wirginii ogłosili historyczną decyzję o budowie pierwszej na świecie komercyjnej elektrowni fuzyjnej w hrabstwie Chesterfield w stanie Wirginia. Wbrew powszechnemu przekonaniu, że fuzja jest odległą technologią, okazuje się, że może być ona bliższa, niż się spodziewano.
Amelia Kasierska ze Studenckiego Koła Naukowego Energetyki SGH
