Reaktory termojądrowe

Rosyjscy naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej w Nowosybirsku stworzyli reaktor termojądrowy zdolny do produkowania energii i spalania odpadów radioaktywnych. Można w nim "dopalać" zużyte w elektrowniach atomowych paliwo jądrowe, na przykład pluton. Odpadnie w ten sposób uciążliwe i niebezpieczne zajęcie składowania odpadów.

Prace nad reaktorem rozpoczęto jeszcze w Związku Radzieckim, po udanych wybuchach jądrowych i termojądrowych. Naukowcy myśleli o tym, jak wykorzystać to źródło energii w celach pokojowych. Jeszcze w połowie lat 80-tych ubiegłego wieku Związek Radziecki zaproponował społeczności międzynarodowej stworzenie nowej generacji reaktora. Przed 1990 rokiem radzieccy, amerykańscy, japońscy i europejscy naukowcy i inżynierowie opracowali projekt teoretyczny reaktora termojądrowego. Ten projekt nazwano ITER - Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (International Thermonuclear Experimental Reactor). W międzynarodowym projekcie bierze udział 35 krajów, w tym Chiny, Indie, Japonia i Korea Południowa. Rosji powierzono stworzenie kluczowego elementu tej konstrukcji, który jest w stanie rozgrzać reaktor do kilku milionów stopni. Jest to tak zwana pułapka gazodynamiczna. Właśnie w niej nagrzewana jest i utrzymywana plazma dla reakcji termojądrowej.

Na foto rosyjski reaktor. Fot. iter.org

- Na Słońcu synteza termojądrowa zaczyna się przy temperaturze miliona stopni. Nowosybirscy naukowcy otrzymali 4,5 miliona stopni przy użyciu mikrofal. W rzeczywistości jest to taka mikrofalówka. Tylko moc syberyjskiej instalacji jest tylko o tysiąc razy większa. Nauczyliśmy się radzić sobie z najbardziej niebezpiecznym i groźnym zjawiskiem, tzw. niestabilnością magneto-dynamiczną. Opracowaliśmy metodę utrzymywania plazmy, która pozwala otrzymać rekordowe jej ciśnienie - wyjaśnia kierownik badań Piotr Bagranski.

- Im wyższe ciśnienie plazmy - tym więcej energii może otrzymać instalacja termojądrowa. Ale pola magnetycznego, które utrzymuje plazmę pod kontrolą, nie można wzmacniać w nieskończoność, jest to sprzeczne z prawami fizyki. To znaczy, że trzeba było znaleźć nowe rozwiązania. Udało nam się otrzymać system, który stabilizuje plazmę, tak zwaną metodę wirowego utrzymania. Kiedy plazma kręci się w pewien sposób, ona już w żadnym wypadku nie ucieknie z urządzenia. Ona, jak jajko w szklance, kontynuuje życie w tym wirze, w środku - dodaje starszy pracownik naukowy Instytutu Fizyki Jądrowej syberyjskiego oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, Andriej Anikejew.

Naukowcy mają zamiar doprowadzić temperaturę plazmy do siedmiu milionów stopni. W tej temperaturze moc strumienia neutronów zostanie podwojona. W tym celu będzie trzeba zbudować nową, o wiele mocniejszą instalację.

Nowy reaktor termojądrowy nigdy nie eksploduje. Nawet, jeśli plazma, nagrzana do kilku milionów stopni, dotknie ścian komory holdingowej, nic strasznego się nie stanie. Plazma po prostu przestanie istnieć. Dlatego też z punktu widzenia ekologów energetyka termojądrowa powinna całkowicie zastąpić energetykę jądrową. Projekt ITER jest nazywany "sztucznym słońcem". Naukowcy nie mają wątpliwości, że z pomocą takich reaktorów w końcu uda się rozwiązać problem niedoboru energii elektrycznej na świecie.

Pod koniec maja 2014 roku, w Instytucie Fizyki Plazmy Max Planck w niemieckim Greifswald, także uruchomiono eksperymentalny reaktor jądrowy. Urządzenie służy do wytwarzania i utrzymania plazmy, w której zachodzą reakcje syntezy jądrowej. Ma on wspomóc opracowanie technologii budowy elektrowni termojądrowej. Część instalacji (wartą ok. 6,5 mln euro) wykonali polscy specjaliści. Dzięki temu Polska będzie miała zapewniony dostęp do przeprowadzanych eksperymentów oraz będzie dysponować prawami do opracowywanych wynalazków. W projekcie uczestniczą: Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Politechnika Warszawska, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Uniwersytet Opolski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

Eksperymentalny reaktor termojądrowy ITER powstaje także w Saint-Paul-les-Durance, w południowej Francji. Jest to wspólny projekt UE i kilkunastu innych krajów świata i finansowany przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Japonię, Rosje, Koree Południową oraz USA.

Konstrukcja reaktora, budowana na południu Francji, ma stanąć na kilometrowej ziemnej platformie. Monachijski oddział koncernu ThyssenKrupp Schulte zaprojektował unikalną platformę testową, aby pomóc zebrać informacje na temat nośności i stabilności mechanicznej poruszającej wsporniki komory próżniowej ITER. - Naczynie próżniowe, które waży około 10.000 ton, jest jednym z najważniejszych elementów reaktora syntezy jądrowej - tłumaczy Andreas Kellermann, dyrektor oddziału w Monachium.- Utrzymanie naczynia w procesie fuzji i absorbowania generowanych sił magnetycznych spoczywa na dziewięciu ruchomych podporach stalowych, które muszą wytrzymać ciężar porównywalny z Wieży Eiffla.

Zakłada się, że tokamak - tak nazywa się ten reaktor energii termojądrowej - będzie wytwarzać co najmniej 10 razy więcej energii niż zużywać. W skład "paliwa" jądrowego w urządzeniu ITER wchodzić będą deuter i tryt. Są to izotopy wodoru, które w swoich jądrach atomowych mieszczą dodatkowe neutrony. W odpowiednich warunkach jądra tych izotopów wodoru zmieniają się w jądra helu, uwalniając przy tym dużą energię. Plazma - rozgrzany zjonizowany gaz - wewnątrz reaktora osiągnie temperaturę 100 mln st. C, to jest prawie 10-krotnie wyższą niż temperatura wnętrza Słońca. Żaden dostępny materiał nie mógłby utrzymać tak gorącej substancji we właściwym miejscu. Będzie to jednak możliwe dzięki własnościom elektrycznym i magnetycznym plazmy. Zjonizowany gaz można zamknąć w magnetycznej pułapce. Dzięki temu plazma niejako lewitować będzie w komorze próżniowej i nie zetknie się z jej ściankami.

Prace nad francuskim " sztucznym słońcem" rozpoczęto jeszcze w 2005 roku. BBC podało, że szacowane koszty pierwszego etapu budowy reaktora wzrosły już ponad dwukrotnie w stosunku do pierwotnego budżetu wynoszącego sześć miliardów dolarów. Trudna sytuacja gospodarcza może spowolnić prace.