Reakcje termojądrowe prowadzące do spalania protonów do helu, którym towarzyszy wydzielanie dużej ilości energii, zachodzą w gwiazdach i można stwierdzić, że dzięki reaktorowi termonuklearnemu, jakim jest Słońce, na Ziemi mogły powstać warunki do zaistnienia życia oraz że każda forma energii, która jest obecnie wykorzystywana przez człowieka, powstała poprzez procesy konwersji energii termonuklearnej emitowanej ze Słońca w postaci promieniowania.

Reaktor jądrowy a termojądrowy

Podstawową różnicą pomiędzy reaktorami jądrowymi a termojądrowymi jest to, że w pierwszychprzebiegają jądrowe reakcje rozpadu izotopów ciężkich pierwiastków, takich jak uran 235U, natomiast w reaktorach termojądrowych zachodzi fuzja izotopów wodoru (deuteru i trytu), w wyniku której powstaje obdarzone energią kinetyczną jądro helu oraz szybki neutron. Jedyną substancją radioaktywną, która mogłaby zostać uwolnienia do otoczenia w wyniku awarii reaktora termonuklearnego jest tryt o połowicznym okresie rozpadu wynoszącym około 12 lat. Reakcja termojądrowa nie jest reakcją łańcuchową, a więc po zaprzestaniu podawania izotopów wodoru do reaktora, bądź utracie stabilności przez plazmę, zanika. O ile zachodząca w bombach wodorowych niekontrolowana reakcja termonuklearna jest opanowana pod względem technicznym, o tyle dotychczas nie udało się przeprowadzić kontrolowanej, długotrwałej reakcji termojądrowej z dodatnim wynikiem energetycznym. Przyczyną jest konieczność zapewnienia bardzo wysokiej temperatury plazmy, w której zachodzi reakcja. Temperatura ta powinna wynosić około 100 mln oC.

Ze względu na bardzo wysoką temperaturę niezbędną dla zajścia reakcja fuzji, nie jest możliwe zbudowanie reaktora, w którym plazma miałaby kontakt ze ściankami naczynia. W gwiazdach plazma protonowa o temperaturze około 10 mln oC jest utrzymywana w odpowiedniej gęstości dzięki bardzo dużym siłom grawitacji wynikającej z ogromnej masy gwiazd. W warunkach ziemskich siły grawitacyjne są zbyt słabe, aby zapewnić odpowiednią gęstość plazmy i konieczne jest wykorzystanie innego typu oddziaływań. Ponieważ plazma jest obdarzona ładunkiem elektrycznym, może być zamknięta w tzw. pułapce magnetycznej będącej odpowiednio ukształtowanym polem magnetycznym. Dwie koncepcje pułapek magnetycznych zostały opracowane ponad sześćdziesiąt lat temu w Związku Radzieckim i w USA. Fizycy Andriej Sacharow wraz z Igorem Tammem z Instytutu Energii Atomowej w Moskwie zaproponowali w roku 1950 jako pułapkę magnetyczną dla plazmy komorę w kształcie torusa, w której dzięki znajdującemu się w osi toroidalnego magnesu solenoidowi indukowany jest prąd w plazmie deuterowo-trytowej. Komora taka została nazwana tokamakiem (od Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami). Amerykański fizyk Lyman Spitzer z Princeton opracował również w 1950 roku pułapkę magnetyczną o bardzo nieregularnym kształcie, w której plazma jest zamknięta i równocześnie wzbudzany jest w niej prąd. Pułapka ta została nazwana stellaratorem, od łacińskiego słowa stella (gwiazda).

Budowa prototypowej jednostki termojądrowej we Francji

Po kilkudziesięciu latach prac badawczo-rozwojowych nad reaktorami termojądrowymi, w roku 2007 w prowansalskim Cadarache rozpoczęto budowę tokamaka ITER, który ma udowodnić, że kontrolowana reakcja termojądrowa będzie mogła stanowić podstawę działania przyszłych elektrowni. W reaktorze ITER planowane jest przeprowadzenie eksperymentów fuzji w plazmie deuterowo-trytowej. Czas trwania pojedynczego eksperymentu (impulsu reakcji) będzie wynosił około 15 minut, a współczynnik wzmocnienia cieplnego reaktora (tj. stosunek ilości ciepła wytworzonego w reakcji fuzji do ilości energii zużytej na zagrzanie plazmy do temperatury 100 mlnoC) będzie równy około 10. Ukończenie budowy reaktora ITER jest zaplanowane na rok 2019, a pierwsza reakcja fuzji ma być zaobserwowana w roku 2020. Tokamak ITER nie będzie jeszcze prototypową elektrownią, gdyż jego konstrukcja nie przewiduje odbioru ciepła reakcji fuzji, stąd ograniczenie czasu impulsów plazmy do około 15 minut, po którym musi nastąpić wychłodzenie ścian reaktora. Pomimo bardzo krótkiego, z punktu widzenia wymagań jakie stawia energetyka, czasu reakcji fuzji w plazmie uwięzionej w toroidalnym magnesie reaktora ITER, tokamak ten stanowi ogromny krok w rozwoju energetyki termojądrowej. Dotychczas najdłuższe czasy reakcji fuzji, jakie były osiągane w tokamakach, wynosiły kilka sekund przy współczynnikach wzmocnienia zbliżających się do 1, co oznaczało więcej energii zużywanej na wytworzenie gorącej plazmy niż następnie pozyskanej w reakcji fuzji.

W budowie reaktora termojądrowego ITER biorą udział Unia Europejska, Chiny, Indie, Rosja, Stany Zjednoczone, Japonia i Korea Południowa, które w roku 2007 zawiązały organizację międzynarodową ITER IO. Przewiduje się, że całkowity budżet projektu przekroczy 20 mld euro, a kraje biorące udział w budowie reaktora rozwiną i posiądą technologie, które pozwolą im następnie skonstruować prototypową elektrownię termojądrową tzw. DEMO. Nie jest jednak realne, aby elektrownia termojądrowa DEMO powstała przed rokiem 2040.

Przeczytaj więcej w magazynie Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 4/2014

Fot. ITER IO