Łukasz Baliński: Czym jest EUROfusion?
Dr hab. Ewa Pawelec: EUROfusion działa w ramach Euratomu czyli Europejskiej Wspólnoty Energii Atomowej. To jest grupa instytutów badawczych różnych typów, którego przedstawicielem w Polsce jest Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie. Ten w naszym kraju jest takim oficjalnym punktem, ale z nim współpracuje sporo różnych instytutów badawczych i uczelni, w tym również Uniwersytet Opolski.
Co to znaczy, że próbujecie zapalić Słońce na Ziemi?
– Chodzi o reakcję łączenia atomowych jąder, co jest zdecydowanie trudniejsze niż reakcja rozszczepienia. Z tego prostego powodu, że jądra atomowe mają to do siebie, że się odpychają. One są – jak my to fizycy nazywamy – „naładowane elektrycznie jednoimiennie”. Żeby się ze sobą połączyły, to trzeba je „ścisnąć”. Gwiazdy robią to w sposób bardzo naturalny, bo mają bardzo duże pole grawitacyjne, w ten sposób ściągają materię i ściskają ją z pomocą grawitacji. Na tej zasadzie właśnie działa Słońce. To jednak nie są dokładnie te reakcje, które chcemy odtworzyć na Ziemi, po prostu dlatego, że gwiazda ma dużo czasu i bardzo dużo masy. My próbujemy w warunkach laboratoryjnych na znacznie mniejszą skalę.
I na jakim etapie są te prace?
– Wiedza, że energię można uzyskać tak z rozszczepienia, jak i z atomowej syntezy, była już znana podczas II wojny światowej, kiedy to budowano pierwsze bomby jądrowe. Bomby termojądrowe detonowano już w latach 50-tych XX wieku na atolu Bikini. Wersja trwalsza, żeby to zapalić i by to działało nie na zasadzie wybuchu, ale jak ognisko, z którego będzie można brać energię w sposób ciągły, okazała się już znacznie trudniejsza. Problemem jest nie tylko to, by tę plazmę zapalić, ale żeby ją w czymś „uwięzić”, tak, by nie narobiła szkód w okolicy. Aby tak się stało, musi być dostatecznie mała, a wtedy z kolei trzeba bardzo uważać, żeby nam nie zgasła. Bo to jest podstawowy problem, jeśli chodzi o to „małe słoneczko”. Trzeba je ochronić przed zewnętrzną atmosferą, inaczej błyśnie i zgaśnie.
Można nad tym zapanować?
– W połowie poprzedniego stulecia naukowcy odkryli, że można to zrobić na dwa sposoby. Jedni stwierdzili, że będą robić „mikrobombki”, czy mikro błyski za pomocą tzw. fuzji inercyjnej (bezwładnościowej). Zwolennicy drugiej opcji usiłują sprawić, żeby to się paliło, tak, jak w pewnym sensie w Słońcu, czyli w sposób ciągły. Plazma jest gazem naładowanym, da się ją uwięzić w polu magnetycznym, jeśli weźmiemy określoną konfigurację magnesów, które da się potem dostrajać. Ponieważ były to czasy „zimnej wojny”, to prace szły niezależnie od siebie w Stanach Zjednoczonych, i Związku Sowieckim. W tym pierwszym kraju postawiono na stellaratory (urządzenia służące do wytwarzania plazmy i kontrolowania reakcji termojądrowej)). EuroFusion także zajmuje się tym teraz w Greifswaldzie blisko Szczecina, gdzie pracują naukowcy m.in. z Opola. Było to podejście na zasadzie „zróbmy to, czego plazma chce”, natomiast radzieckie podejście określiłabym jako „weźmy większy młotek”, czyli zmuśmy plazmę do reakcji, dodając coś, co ją będzie stabilizowało, czyli tzw. tokamak. Kiedy wreszcie po „zimnej wojnie” naukowcy się dogadali, okazało się, że tokamaki będą lepszym rozwiązaniem. Największym obecnie działającym takim urządzeniem na świecie jest JET, znajdujący się w Wielkiej Brytanii, przy którym również pracują ludzie z Opola, w tym i ja. Tokamaków średniej wielkości jest dużo, m.in. Chinach, Korei czy w Niemczech koło Monachium. Aktualnie w budowie jest ostatni – przynajmniej takie są założenia – reaktor testowy, przed budową demonstracyjnej elektrowni.
Czyli ciągle jeszcze maszyny badawcze, a nie maszyny, które mają działać jak elektrownia?
– Reaktor termonuklearny ITER, który powstaje w okolicach Marsylii we Francji, będzie jeszcze badawczy i ma pokazać, że to rzeczywiście wszystko działa tak, jak należy. Ma ruszyć pod koniec 2025 roku. To, czego się dowiemy z jego pracy, ma pozwolić po upływie mniej więcej 25 lat zbudować demonstracyjną elektrownię DEMO. Wiadomo już, że jesteśmy w stanie otrzymać energię z reakcji jądrowych, fuzyjnych. Tego dowiodło już kilka tokamaków podczas testów w ostatniej dekadzie XX wieku. Od tego czasu JET został mocno przebudowany. Na nim pokazano, na docelowym paliwie, że jesteśmy w stanie pozyskiwać energię i że jesteśmy w stanie zrobić to w sposób stabilny, jak na razie przez sekundy, ale ten najnowszy ma ten czas wydłużyć do minut, a potem godzin.
Dlatego ten proces jest tak trudny?
– Są spore wyzwania, jeżeli chodzi np. o materiały. Jakby nie było, utrzymujemy kawałek Słońca uwięziony w polu magnetycznym, a żebyśmy byli w stanie odebrać jego energię, to i tak musi coś z tego uciekać. Chodzi o to, żeby ściany tą ucieczkę wytrzymały, żeby ta plazma była stabilna. To wszystko będzie można wypróbować dopiero w reaktorze termonuklearnym ITER. Po prostu dlatego, że jest większy. Mamy tu paradoks, bo jeżeli zazwyczaj chcemy uzyskać energię z ogniska, to łatwiej to zrobić z małego. W przypadku syntezy termojądrowej sytuacja jest odwrotna. Tu im większe jest „ognisko”, tym łatwiej.
Największym wyzwaniem tego „zapalenia Słońca na Ziemi” jest to, by ono „nie zgasło”?
– Głównie tak, ale też, żeby się paliło stabilnie i nadawało się do elektrowni. Jednocześnie nie chcemy, żeby nam w tej elektrowni coś wybuchało. Tę reakcję dobrze „wycyrklować”.
Czyli?
– Jak najlepiej ustawić pole magnetyczne, by jednocześnie plazma nie uciekła i oddawała na zewnątrz tyle energii, żebyśmy mogli ją potem wykorzystywać w elektrowni. Musimy znaleźć odpowiedź, jak najlepiej wymieszać ze sobą te produkty, które będziemy spalać, czyli izotopy wodoru: deuter i tryt. Czy najlepiej dobrać 50 na 50, czy w innych proporcjach. Musimy też odebrać uwalniający się w tym procesie hel. Musi być w takim natężeniu, by nam nie zadusił tego „płomyczka”.
W Polsce da się przeprowadzić tego typu badania?
– Tak, bo te skomplikowane wyliczenia wykonuje się w dużej części zdalnie. Pomiary podstawowych stałych atomowych, pomiary kształtów linii na podstawie dziesiątków danych, to są wszystko rzeczy, które dzieją się m. in. w Opolu, a które są potem wykorzystywane już w urządzeniach do reakcji termojądrowej.
Pani profesor, a dlaczego fizycy na całym świecie poświęcają syntezie jądrowej tyle czasu, a państwa tak ogromne pieniądze?
– Już w rozszczepieniowej energetyce jądrowej mamy sytuację, że uzyskujemy mnóstwo czystej energii (brak CO2, brak smogu i innych paskudztw) z bardzo niewielkiego wkładu paliwa. Problemem jednak jest to, że po pierwsze, uranu na Ziemi jest stosunkowo mało, pozostałości paliwa są przez jakiś czas wysoko promieniotwórcze, a wyłączona z jakichś przyczyn elektrownia wymaga ciągle działającego chłodzenia, bo jej paliwo i produkty ciągle się grzeją – reakcje rozpadu zachodzą samoistnie i nie da się ich łatwo wyłączyć. Tych wad nie ma elektrownia termojądrowa – jeden z potrzebnych izotopów wodoru jest bardzo łatwo dostępny ze zwykłej wody, drugi produkuje się z litu, którego też na Ziemi jest mnóstwo. Przy reakcji nie powstają też wysoko promieniotwórcze pierwiastki, a wyłączona elektrownia nie grozi absolutnie niczym. Czyli mnóstwo bardzo bezpiecznej energii. Czy to dziwne, że wszyscy tego chcą, a tak wielu ludzi nad tym pracuje?
Dr hab. Ewa Pawelec – doktor habilitowany nauk fizycznych w zakresie fizyki, Wydział FAIS, Uniwersytet Jagielloński. Członkini Polskiego Towarzystwa Fizycznego. Jej zainteresowania naukowe to fizyka atomowa i molekularna, spektroskopia klasyczna i laserowa plazmy nisko i wysokotemperaturowej, diagnostyka plazmy, modelowanie plazmy, efekty dyfuzyjne. W ramach zagranicznych staży naukowo-badawczych pracowała m.in. przy stellaratorze TJ-II w Madrycie oraz tokamaku JET w Culham Science Center.
