W miarę jak świat podąża w kierunku bardziej zrównoważonych źródeł energii, energia jądrowa pozostaje ważną technologią. Tradycyjna energia jądrowa jest pozyskiwana w procesie rozszczepienia ciężkiego, niestabilnego jądra atomowego na dwa lżejsze. Energia uwolniona w tym procesie generuje ciepło, przetwarzane następnie na energię elektryczną. Gdyby jednak energia jądrowa była wytwarzana w procesie fuzji jądrowej, można by jej uzyskać wielokrotnie więcej. Podczas gdy rozszczepienie polega na rozdzieleniu atomów, fuzja jądrowa to proces, w którym dwa lekkie jądra łączą się ze sobą w jedno cięższe (np. jądra wodoru w jądro helu). W ten sposób uwalniane są ogromne ilości energii, przy niemal nieograniczonych zasobach paliwa. Koncepcja jest więc prosta, ale jej realizacja niesłychanie skomplikowana.
Dlaczego więc to źródło energii nie jest współcześnie powszechne? Naukowcom bardzo trudno jest utrzymać i kontrolować reakcję fuzji jądrowej. Najczęściej jest ona realizowana w reaktorach zwanych tokamakami, będących w istocie komorami próżniowymi w kształcie torusa, który jest określany jako optymalny z punktu widzenia utrzymania plazmy pod kontrolą. W ich wnętrzu gazowy wodór jest poddawany ekstremalnie wysokiej temperaturze i ciśnieniu, zamieniając się w plazmę – gorący, elektrycznie naładowany gaz. Naładowane cząstki plazmy są utrzymywane z dala od ścian reaktora przez ogromne cewki magnetyczne umieszczone wokół komory. Uzyskując temperaturę plazmy rzędu stu milionów stopni i więcej następuje pokonanie naturalnego odpychania elektromagnetycznego jąder atomowych i uwolnienie ogromnych ilości energii. Porównując reakcje rozszczepienia i syntezy, 35 ton paliwa uranowego w tradycyjnej elektrowni jądrowej można zastąpić jedynie 250 kilogramami paliwa wodorowego w tokamaku. Proces ten powinien być stabilnie podtrzymywany przez długi czas, zapewniając również sprawne odprowadzanie nadmiaru generowanej w tym czasie energii cieplnej, czyli interesującego nas produktu zachodzącej reakcji.
To jednak nadal wyzwanie przyszłości. Jak dotychczas więcej zasobów potrzeba do wywołania i podtrzymania reakcji, niż otrzymuje się energii elektrycznej wytworzonej w wyniku reakcji łączenia jąder atomowych. Wyzwań jest wiele. Pierwszym jest odpowiednia mieszanka paliwowa do reaktora. W praktyce będzie to docelowo mieszanina deuteru i trytu w proporcjach około 1:1. Powinna ona być tak dobrana, aby umożliwić zapoczątkowanie i podtrzymywanie reakcji syntezy. W wyniku reakcji powstają niestety ogromne ilości promieniowania jonizującego (szczególnie neutronowego). Projektując bezpieczny reaktor termojądrowy należy więc pod uwagę odpowiednią osłonę biologiczną przed promieniowaniem oraz uwzględnić ewentualne ryzyko uwolnienia materiałów promieniotwórczych do atmosfery. Szczególnie istotna jest ochrona przed uwolnieniem do atmosfery promieniotwórczego trytu, który ma dużą zdolność penetracji, łatwo rozpuszcza się w wodzie i ma okres połowicznego rozpadu wynoszący 12 lat.
Tryt jest bardzo rzadkim, radioaktywnym izotopem wodoru. Dopiero niedawno zaczęto z nim eksperymenty w reaktorach fuzyjnych. Brakuje doświadczeń w zakresie wykorzystania go do celów energetycznych, gdyż wcześniejsze badania zostały zakończone w 1997 r. i nie były kontynuowane. Niewielkie ilości trytu występują na Ziemi w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazami atmosferycznymi. Jest także produktem reakcji nuklearnych, może być więc wytwarzany w tradycyjnych reaktorach jądrowych. Jego światowa podaż to zaledwie 20 kg. W celach testowych są prowadzone badania z użyciem trytu w reaktorach fuzyjnych JET, w jednorazowych dawkach 60 gramów z opcją odzysku tego izotopu po reakcji. Umiejętność wykorzystania trytu może być kluczowa dla komercyjnej przyszłości tokamaków.
Tymczasem w maju 2023 r. firma Helion Energy podpisała umowę PPA na sprzedaż Microsoftowi energii wytworzonej z fuzji termojądrowej. Dostawa energii ma rozpocząć się w 2028 r., a więc już za 4 lata. Zakontraktowana moc wynosi skromne 50 MW. Jednak liczy się przede wszystkim fakt podpisania takiego biznesowego kontraktu z wszystkimi ewentualnymi skutkami jego niedotrzymania przez Helion Energy. Firma ta zbudowała już 6 działających prototypów kolejnych generacji, a w 2024 r. zamierza pokazać kolejny. W sposób nowatorski podchodzi zarówno to kształtu komory reaktora, bezpośredniego wytwarzania w nim energii elektrycznej zamiast konwersji ciepła na prąd oraz uproszczonego sposobu pozyskiwania trytu z deuteru we własnym akceleratorze plazmowym.
Zapowiada się więc duża sensacja na rynku przyszłych źródeł energii. 5 lat od podpisania umowy to bardzo niewiele czasu jak na dopracowanie przełomowego rozwiązania i zapewnienie jego komercyjnej, bezpiecznej wersji. W przeciwieństwie do ogromnych tokamaków mamy szansę otrzymać skalowalne źródło czystej energii o nieograniczonym potencjale zastosowań. Oby tak się stało.
Krzysztof Hajdrowski
