Zapalić Słońce na Ziemi czyli Drugi Święty Graal fizyki

Wstęp

Energetyka jądrowa o opanowanych lub przewidywanych technologiach rozszczepiania atomów, przedłuży ten okres o kolejne 40 lat, a po wprowadzeniu prędkich reaktorów powielających i włączeniu do produkcji energii zasobów toru ludzkość zyska zapewne ponad 200 lat. Energetyka jądrowa wykorzystująca energię rozszczepiania atomów nie jest w stanie rozwiązać docelowo problemu wyczerpywalności kopalin ze względu na ograniczone zasoby uranu i toru.

Jedyną obecnie znaną teoretyczną szansą zażegnania kryzysu energetycznego jest opanowanie fuzji jądrowej, magnetycznej lub laserowej, mamy na to w praktyce ok. 100 lat, a może nawet ze 200-300.

Dziś węgiel, ropa i gaz stanowią 95 proc. globalnych zasobów energetycznych. Pozostałe to uran-235 wykorzystywany w elektrowniach jądrowych. 1kg uranu, w reakcji rozszczepienia wydziela tyle energii, ile kilka milionów ton węgla, a reakcja fuzji jądrowej jest jeszcze ,,lepsza'' kilka razy od reakcji rozszczepienia.

Drugi Święty Graal fizyki i niespełnione od kilkudziesięciu już lat marzenie ludzkości to energia termojądrowa (fuzja jądrowa), która będzie prawdziwie skutecznym i trwałym rozwiązaniem światowego kryzysu energetycznego. Zbliża się wielki przełom w dziedzinie energetyki termojądrowej, rozpoczęła się nowa rewolucja przemysłowa. Energia czysta, tania, bezpieczna i w nieograniczonej ilości zacznie odmieniać świat już w następnej dekadzie. W ciągu ostatnich dwóch dekad kapitał podwyższonego ryzyka zaangażował miliardy $ w badania nad energią termojądrową (mini reaktory fuzyjne), a wiele prywatnych firm bierze udział w wyścigu, aby jako pierwsi podłączyć elektrownię termojądrową do sieci elektrycznej. Kraje, który opracują, wdrożą lub przynajmniej przyłączą się do projektów energetyki termojądrowej,
wprowadzą świat w nową erę.

Najbardziej perspektywiczną techniką termojądrową jest laserowa fuzja wodorowo-borowa.
p(1H) + 11B ---> 12C ---> 3α (3 x 4He) + 8.57 MeV, to równanie zmieni naszą cywilizację.

Słońce zasilane fuzją jądrową.

Przez ostatnie cztery i pół miliarda lat co sekundę tryliony trylionów (10 do potęgi 36) atomów wodoru przekształciło się w hel w rdzeniu Słońca i uwolniło w nim ogromną ilość energii.

Jest to proces znany jako fuzja jądrowa, a odkrycie, jak wykorzystać to źródło praktycznie nieograniczonej czystej energii na Ziemi, było Świętym Graal'em fizyki przez ostatnie 80 lat. W procesach syntezy termojądrowej zachodzącej we wnętrzach gwiazd uwalniane są ogromne ilości energii. Energia wytwarzana we wnętrzu naszej gwiazdy - Słońca, od miliardów lat dociera w postaci promieniowania do Ziemi, gdzie ulega przetworzeniu w wyniku skomplikowanych procesów fizycznych, chemicznych i geologicznych w inne formy energii.

Od czasów, gdy na Ziemi powstało życie, w przetwarzanie słonecznej energii włączyły się także procesy biologiczne. Przetworzona energia słoneczna kumulowała się m.in. w postaci paliw kopalnych, bez których nie może dziś funkcjonować nasza cywilizacja. Wlewając benzynę do baku samochodu raczej nie zaprzątamy sobie głowy myślą, że choć pośrednio, to korzystamy w istocie z termojądrowej energii Słońca.

Na czym polega energia jądrowa?

Energia jądrowa to energia wydzielana podczas przemian jądrowych, rozszczepiania (fission) lub fuzji (fusion). W procesie rozszczepiania atom dzieli się na dwa lub więcej mniejszych, lżejszych atomów. Fuzja jądrowa występuje wtedy, gdy dwa lub więcej małe atomy łączą się razem tworząc większy,
cięższy atom. Reakcje jądrowe w przeliczeniu na jednostkę masy są ponad milion razy bardziej efektywne od reakcji chemicznych. Reakcja rozszczepienia ciężkich jąder atomowych może być kontrolowana i jest wykorzystywana w energetyce w elektrowniach jądrowych. Najczęściej stosowanym surowcem jest uran (izotop 235U). Wytwarzana w ten sposób energia jest wykorzystywana do napędzania turbin generatorów energii elektrycznej. W roku 2014 w Stanach Zjednoczonych ok. 19 proc., a we Francji ok. 75 proc. energii elektrycznej pochodziło z elektrowni jądrowych.

Ograniczenia dotychczasowej energetyki jądrowej.

Dotychczasowa energetyka jądrowa wykorzystuje reakcję rozszczepiania ciężkich jąder atomowych. Odpady jądrowe, niebezpieczne produkty uboczne rozszczepiania trzeba przechowywać w specjalnych budowlach przez dziesiątki tysięcy lat. Nie ma tych wad energetyka termojądrowa, która wykorzystuje reakcję fuzji jądrowej.

Rozszczepienie jądrowe.

Ciężkie jądro atomu rozpada się, tworząc dwa lub więcej lżejszych jąder.
Jest to reakcja łańcuchowa, która może prowadzić do niebezpiecznych eksplozji.
Ciężkie jądro bombardowane jest neutronami.
Istnieje ustabilizowana od dziesięcioleci technika pozwalająca na kontrolowanie rozszczepienia.
Odpady jądrowe, niebezpieczne produkty uboczne rozszczepienia, stanowią wyzwanie środowiskowe.
Surowiec dla reaktora, taki jak uran lub pluton, jest rzadki i kosztowny.

Rozszczepienie zostało odkryte w roku 1938 przez niemieckich naukowców (Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz Strassmann), którzy bombardowali próbkę uranu neutronami w celu stworzenia nowych elementów. W typowej reakcji rozszczepienia jądrowego, więcej niż jeden neutron jest uwalniany przez każde dzielące się jądro. Gdy te neutrony zderzą się, powodują rozszczepienie w innych sąsiadujących jądrach, może dojść do samowystarczalnej serii reakcji rozszczepienia jądrowego, znanej jako jądrowa reakcja łańcuchowa. Na przykład, rozszczepienie uranu 235U uwalnia od dwóch do trzech neutronów na jedno zdarzenie rozszczepienia. Jeśli są pochłonięte przez inne jądra 235U, te neutrony wywołują dodatkowe zdarzenia rozszczepienia, a szybkość reakcji rozszczepienia wzrasta geometrycznie. Aby utrzymać reakcję łańcuchową w łańcuchu atomowym, potrzebna jest jakaś minimalna masa izotopu rozszczepialnego; jeśli masa jest zbyt niska, zbyt wiele neutronów jest w stanie uciec bez wychwycenia i wywołania reakcji rozszczepienia. Minimalna masa zdolna do podtrzymywania trwałego rozszczepienia nazywa się masą krytyczną. Jeśli masa izotopu rozszczepialnego jest większa niż masa krytyczna, wówczas w odpowiednich warunkach uzyskana masa nadkrytyczna może uwalniać energię. Rozszczepienie dużego atomu na dwa lub więcej mniejszych powoduje powstanie wielu bardzo radioaktywnych cząstek. Reakcja rozszczepienia nie występuje zwykle w naturze. Energia uwalniana przez rozszczepienie jest milion razy większa niż wytwarzana w reakcjach chemicznych (naparstek ciężkiego wodoru jest pod względem energetycznym równoważny 20 t węgla), ale niższa kilka razy niż energia uwalniana przez fuzję jądrową.

Fuzja jądrowa

Dwa lub więcej lekkich jąder łączą się tworząc cięższe jądro.
Nie ma reakcji łańcuchowej, nie ma odpadów nuklearnych.
Lekkie jądra muszą być rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury i utrzymywane w wielkim zagęszczeniu.
Surowce są bardzo łatwo pozyskiwane z wody morskiej.
Fuzja jądrowa wytwarza energię 3-4 razy większą niż rozszczepienie jądrowe.

Reakcja fuzyjna (typu DT) zachodzi, gdy plazma znajduje się w polu magnetycznym i jest ogrzana do temperatury 100 milionów Kelvina lub więcej.
Dla porównania, temperatura rdzenia Słońca wynosi 15 milionów stopni. W przeciwieństwie do większości obecnych technik pozyskiwania energii, energetyka termojądrowa będzie czysta, tzn. bezpieczna dla człowieka i jego naturalnego środowiska.

Zalety fuzji jądrowej.

Czysta

Fuzja nie wytwarza odpadów promieniotwórczych i gazów cieplarnianych, emitując tylko hel jako spaliny. Wymaga także mniej powierzchni niż wytwarzanie energii przez techniki odnawialne.

Bezpieczna

Energia termojądrowa (fuzyjna) jest z natury bezpieczna, bez możliwości wystąpienia wybuchu i skażenia środowiska na dziesiątki tysięcy lat.

Obfita

Jest wystarczająco dużo paliwa jądrowego, aby zasilić planetę przez miliardy lat. Elektrownia termojądrowa (fuzyjna) jest zasilana np. przez izotopy wodoru (deuter i tryt), które mogą być wydzielane z wody morskiej oraz pochodzą z litu.

Na żądanie

Elektrownia termojądrowa (fuzyjna) może wytwarzać energię na żądanie i nie wpływa na nią pogoda. Ponieważ jest również bezpieczna i nie powoduje zanieczyszczenia, elektrownia termojądrowa może znajdować się w pobliżu miejsca, w którym jest to wymagane.

Reaktory fuzyjne mają niepowtarzalne korzyści dla przyszłego wytwarzania energii. Reaktory fuzyjne w przeciwieństwie do konwencjonalnych reaktorów jądrowych nie mogą stopić się i nie wytwarzają materiałów promieniotwórczych, które wymagają specjalnej utylizacji.

Zagrożenia związane z bezpieczeństwem i środowiskiem przez reaktory termojądrowe są minimalne, a deuter i lit mogą być wydobywane z wody morskiej. Elektrownia termojądrowa może zostać zbudowana przy konkurencyjnym koszcie w stosunku do elektrowni jądrowej rozszczepieniowej (prawdopodobnie 2 razy taniej). Produkcja energii w reaktorach laserowych wodorowo-borowych będzie 4-krotnie tańsza od energii z węgla
i nie będzie emitować dwutlenku węgla.

Co się dzieje na świecie w dziedzinie energetyki jądrowej?

Tylko trzy lata minęły między pierwszą eksplozją nuklearną w roku 1945, a zaświeceniem pierwszej żarówki zasilanej przez elektrownię jądrową. Natomiast mija już 66 lat od wybuchu pierwszej bomby wodorowej w roku 1952, a pracującej elektrowni termojądrowej jeszcze nie ma.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku trwają prace nad kontrolowanym przeprowadzaniem reakcji fuzji lekkich jąder atomowych. W ostatnich 2-ch dekadach nastąpiło przyspieszenie w opracowaniu mini reaktorów termojądrowych.

Fuzja jądrowa jest bezpieczniejszym i wydajniejszym procesem produkcji energii niż rozszczepienie, co oznacza ostatecznie mniejsze koszty i czystą energię.Energia uwalniana przez fuzję jądrową jest 3-4 razy większa niż energia uwalniana przez rozszczepienie. Izotopy wodorowe (deuter i tryt) są podstawowym paliwem stosowanym w eksperymentalnych elektrowniach termojądrowych, ale najbardziej perspektywiczna jest laserowa fuzja wodorowo-borowa (PB).

Dlaczego nastąpiło w ostatnich latach przyspieszenie w opracowaniu mini reaktorów termojądrowych?

Dzięki opracowaniu przez zespół z Massachusetts Institute of Technology (MIT) magnesów nadprzewodzących nowego typu (o podwojonej mocy), powinno nastąpić 10-krotne zmniejszenie rozmiarów i masy reaktora. Magnesy nadprzewodzące utrzymują w reaktorze plazmę w pułapce magnetycznej.

W USA i w Wlk. Brytanii pracuje nad mini reaktorami termojądrowymi ponad 17 koncernów, firm i start-up'ów. Najbardziej zaawansowany jest największy koncern zbrojeniowy świata -- Lockheed Martin, który produkuje w Mielcu helikoptery Black Hawk. Lockheed Martin zapowiada pierwszy komercyjny mini reaktor termojądrowy (typu DT) za 6 lat. Dwie firmy (Tri Alpha Energy i LPPFusion) budują najbardziej perspektywiczne mini reaktory termojądrowe, wykorzystujące jako paliwo mieszankę wodorowo-borową (PB), która nie wytwarza neutronów.

Koncern Google opracowuje komputerowy algorytm Optometrist, który ma zmniejszyć o połowę straty energii w reaktorze firmy Tri Alpha Energy.

Fuzja jądrowa na mieszance wodorowo-borowej (PB) jest trudniejsza do osiągnięcia niż fuzja deuter-tryt (DT) w tokamakowych reaktorach, takich jak w reaktorze firmy General Fusion, bo wymaga o wiele wyższej temperatury.

Firma Tri Alpha Energy spodziewa się, że temperatura plazmy w jej reaktorze osiągnie około 3 mld stopni Kelvina, czyli ponad 200 razy więcej niż temperatura w środku Słońca. Firma Tri Alpha Energy i Google do opracowania reaktora fuzyjnego użyje superkomputera o mocy przetwarzania rzędu exaflopów i algorytmu Optometrist (obliczanie procesów stabilizacji plazmy).

Laserowa fuzja wodorowo-borowa (PB) nie uwalnia żadnych neutronów w swojej podstawowej reakcji, innymi słowy, nie jest radioaktywna. Nie wymaga też radioaktywnego paliwa i nie wytwarza odpadów radioaktywnych. W odróżnieniu od większości innych metod generowania energii, nie są potrzebne wymienniki ciepła, ani też turbiny parowe, fuzja wodorowo-borowa uwalnia energię prawie bezpośrednio w postaci elektryczności. Nie potrzeba skomplikowanych konstrukcji reaktorów, takich jak w tokamakach lub stellaratorach. Moc laserów od kilkunastu lat wzrasta wykładniczo, czyli zwiększa się 10-krotnie co 3 lata, zatem osiągnięcie fuzji wodorowo-borowej jest już blisko.

Prototyp mini reaktora termojądrowego (typu DT lub PB) rozpocznie komercyjną produkcję taniej i czystej energii elektrycznej prawdopodobnie za 6-15 lat.
MIT i Commonwealth Fusion Systems pracują nad nowatorskim podejściem do problemu izolacji termicznej. Używają nadprzewodników wysokotemperaturowych, aby utrzymać ciągłe reakcje, które w przeciwnym razie stopiłyby konwencjonalne materiały stałe. Naukowcy z obu instytutów zamierzają opracować nowe magnesy nadprzewodzące z wykorzystaniem taśmy stalowej pokrytej związkiem zawierającym tlenek itru, baru i miedzi (YBCO).

Firma Tri Alpha Energy zwyciężyła niedawno w konkursie 2018 Global Cleantech 100.

Czy tajne laboratorium Skunk Works Lockheed'a Martin'a uratuje klimat na Ziemi?

Jeżeli projekt CFR Lockheed'a Martin'a powiedzie się, oznaczałoby to przesunięcie paradygmatu większe niż wynalazek mocy parowej lub silnika spalinowego. Obecnie jedna jednostka CFR została zaprojektowana w celu wyprodukowania 100 MW energii elektrycznej, wystarczającej energii, aby zasilić 80 000 amerykańskich gospodarstw domowych lub wygodnie zasilać lotniskowiec klasy Nimitz. Istnieją nawet ekscytujące aplikacje do podróży kosmicznych. Brak emisji gazów cieplarnianych, odpadów nuklearnych lub zagrożeń dla bezpieczeństwa oznacza, że szerokie rozpowszechnienie tej techniki może powstrzymać zmiany klimatyczne i zlikwidować smog. Co więcej, może to całkowicie skończyć z globalnym niedoborem energii. Mówimy o rewolucji energetycznej o epickich proporcjach - jeśli tylko będziemy mogli ją uruchomić.

Prof. Heinrich Hora - główny autor laserowej fuzji wodorowo-borowej.

Grupa naukowców pod wodzą emerytowanego profesora Heinricha Hora z wydziału Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Nowej Południowej Walii stworzyli komputerową symulację, która pokazuje, że odpowiednio silne impulsy laserowe mogą zainicjować reakcję syntezy w specjalnie przygotowanym paliwie. Paliwem tym jest mieszanina lekkiego wodoru i boru-11, stabilnego izotopu tego pierwiastka, który stanowi ponad 80% boru na Ziemi. Takie paliwo "ostrzelane" bardzo silnym błyskiem lasera powinno dostarczyć na tyle dużo energii w wyniku reakcji syntezy, że proces powinien mieć dodatni bilans energetyczny.

Inne korzyści to znikome promieniowanie, jakie powstaje w takiej reakcji. Jest ono mniejsze niż spalanie węgla, który zawiera śladowe ilości uranu oraz praktycznie brak odpadów. Jedynym jest nieszkodliwy hel.

Prof. Heinrich Hora twierdzi, że reakcja 12 mg paliwa wodorowo-borowego może wytworzyć ponad 1 GJ = 277 kWh energii elektrycznej, otwierając drogę absolutnie czystemu reaktorowi, który będzie wytwarzać tanią energię.

Myślę, że to stawia nasze podejście przed wszystkimi innymi technikami energii termojądrowej. Z punktu widzenia inżynierii, nasze podejście będzie o wiele prostszym projektem, ponieważ paliwa i odpady są bezpieczne, reaktor nie będzie potrzebował wymiennika ciepła i generatora turbin parowych, a lasery, których potrzebujemy, można kupić w sklepie. Teraz, w ciągu 8-miu do 10-ciu lat, spodziewam się, że mini reaktory termojądrowe będą produkowane z elementów wytworzonych w obecnych technikach." Przeprowadzone eksperymenty laboratoryjne wykazują, że wydajność syntezy jądrowej jest ponad milion razy większa w stosunku do reakcji chemicznych. Reakcja fuzji H-11B jest aneutroniczna - nie wymaga działania neutronów ani ich wytwarzania. Żadne z wejść reaktora nie jest radioaktywne. Produktem odpadowym jest hel, również nieradioaktywny. Ani produkty wejściowe, ani wyjściowe nie są toksyczne. Energia termojądrowa z protonów reagujących z 11B, jest niezwykle trudna lub niemożliwa, gdy stosuje się termiczny zapłon przez napromieniowanie laserem. Zmienia się to radykalnie, gdy stosuje się pikosekundowe impulsy laserowe o mocy rzędu petawatów.

Podsumowanie

Energetyka termojądrowa oparta o mini reaktory termojądrowe (typu DT, a później PB) z pewnością zwycięży w wyścigu do czystej i taniej energii. Pytanie, kiedy to nastąpi? Optymistyczne zapowiedzi mówią o 6-ciu latach (instalacja pierwszych reaktorów komercyjnych typu DT), a ostrożne o maksimum 15-tu latach (reaktory komercyjne typu PB). Założyciel firmy General Fusion i jej główny naukowiec Michael Laberge mówi, że wiele zależy od ilości prywatnych inwestycji w dziedzinie fuzji jądrowej.Mini reaktory termojądrowe przypominają samoloty tuż przed pierwszym lotem Braci Wright, mówi Laberge. Kiedy ktoś pokaże, jak można to zrobić, ekscytacja wrośnie, a następnie ruszą wielkie inwestycje.