ITER – czym jest reaktor, w którym za rekordowe sumy UE chce odtworzyć procesy z jądra Słońca

Eksperymentalne reaktor termojądrowy ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) pozyskał w tym tygodniu nowy dodatkowe finansowanie.  Tłumaczymy, jak ta „gwiezdna” technologia pozyskiwania energii w przyszłości pomoże ludzkości uwolnić się od węgla.

Rada Europejska zdecydowała w lutym tego roku, że do 2027 roku Unia wyda 5,61 mld euro (ponad 25 mld zł) na rozwój  reaktora ITER.

Decyzja Rady Europejskiej dotyczy dalszego finansowania tego międzynarodowego projektu, którego budowa trwa od 2006 roku. Jego koszt w całości szacuje się na około 10 miliardów euro.

Sprawia to, że jest to jeden z najdroższych na świecie programów badawczych.

Za co płacimy tak dużo? Za badania nad technologią rodem z filmów science-fiction. Naukowcy chcą w temperaturze wyższej niż na słońcu sztucznie odtwarzać procesy, które zachodzą w jądrach gwiazd. Na co dzień doświadczamy ich jako światła i ciepła emitowanego przez gwiazdy, na przykład Słońce.

Jeśli świat nauki osiągnie sukces, to w przyszłości ludzie będą potrafili w ten „kosmiczny” sposób wytworzyć ogromne ilości energii na własne potrzeby – całkowicie bezemisyjnie.

ITER – co to jest?

ITER to reaktor termojądrowy i jednocześnie pełen rozmachu projekt badawczy. Pozwoli sprawdzić, czy da się bezpiecznie produkować energię uzyskaną poprzez kontrolowaną syntezę jądrową na dużą skalę.

To właśnie ten proces, zwany też fuzją jądrową, zachodzi w gwiazdach, na przykład wewnątrz słońca. Teraz te warunki ludzie chcą stworzyć na Ziemi, by wytwarzać energię elektryczną na wielką skalę. W fuzji termojądrowej można uzyskać z gazu gorącą plazmę – zjonizowaną materię. To z niej nauka chce uzyskiwać wielkie ilości energii.

Co ma dać nam ITER?

Naukowcy uważają, że to narzędzie pozwoli nam wytworzyć energię przyszłości, która nie będzie źródlem problemów, jak energia atomowa lub ta z węgla. Z jednej strony ta energia przyszłości nie będzie ona emitować do atmosfery zanieczyszczeń, z drugiej ma zaspokajać rosnące potrzeby ludzkości.

Problem? Na razie nie istnieje wielkoskalowa elektrownia, która wykorzystywałaby proces fuzji do produkcji energii. ITER to pierwsza demonstracyjna elektrownia tego typu – będzie produkował energię cieplną, której nie będzie się jednak
przetwarzać na energię elektryczną.

To dlatego, że ITER jest eksperymentalnym reaktorem, którego zadaniem jest stworzyć grunt dla przyszłej energetyki fuzyjnej.

Gdzie i kiedy powstanie reaktor termojądrowy ITER?

Reaktor powstaje na obszarze 180 hektarów w południowej Francji, w miejscowości Saint-Paul-lès-Durance. Na co dzień jest otwarty dla zwiedzających. W czasach pandemii budowę i wnętrze reaktora można zwiedzać wirtualnie na interaktywnej stronie ITER (warto).

Budowa zaczęła się w 2006 roku i zbliża się do końca. W 2025 roku ma zostać wytworzona pierwsza plazma, a 10 lat później reaktor ma być w pełni operacyjny.

Jeśli eksperymenty z plazmą się powiodą, już w połowie wieku planuje się komercyjne wykorzystanie fuzji jako źródła energii elektrycznej.

Kim są inwestorzy?

Cały koszt rozwoju projektu będzie kosztował według szacunków 10 miliardów euro. W przedsięwzięciu uczestniczy 35 państw: Unia Europejska i Szwajcaria oraz USA, Rosja, Japonia, Chiny, Korea Południowa i Indie.

UE jako Euratom odgrywa w projekcie główną rolę, jednak wszystkie kraje będą miały dostęp do wyników badań.

Jak działa ITER, czyli co to jest fuzja termojądrowa?

Energię uzyskuje się przy pomocy zjawiska fuzji, czyli kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej. Fuzja to zjawisko powszechne w kosmosie, tam, gdzie panują niezwykle wysokie temperatury i jest duża gęstość atomów.

Szybko poruszające się atomy w wysokich temperaturach zderzają się. Z takich zderzeń cząsteczek wodoru powstają cięższe atomy helu. Moment ten to chwila, gdy gaz staje się plazmą – zjonizowanym stanem materii podobnym do gazu. W tym procesie uwalniają się ogromne ilości energii.

Skąd bierze się energia, wyjaśnia słynny wzór Einsteina E = mc². Niewielka utracona masa (m) powstałego z wodoru atomu helu pomnożona przez kwadrat prędkości światła (c²) daje ogromną liczbę (E). To właśnie energia powstała w wyniku fuzji.

Nauka w XX wieku nauczyła się usidlać ten proces w warunkach laboratoryjnych z atomami deuteru i trytu. Wymaga jednak dziesięciokrotnie wyższej temperatury niż ta wewnątrz Słońca (150 milionów stopni Celsjusza).

Tokamak – czyli gdzie można uzyskać takie temperatury?

Takie temperatury można uzyskać w tzw. tokamaku. To specjalnie stworzone urządzenie, w którym naukowcy próbują uzyskać warunki takie, jakie panują we wnętrzu gwiazd. Do powstania tokamaku ITER (na razie największego na świecie i zdolnego wytworzyć plazmę o objętości dziesięciokrotnie większej niż największy obecnie działający tokamak) drogę utorowało ponad 200 wcześniej zbudowanych i działających tokamaków.

W nim gorąca plazma zostaje uwięziona przy użyciu pola magnetycznego.

Tokamak ITER będzie ważył 23 000 ton – równowartość trzech wież Eiffla, a objętość plazmy w jego wnętrzu będzie sięgała 830 metrów sześciennych. Dziś osiągnięte maksimum to 100 m3.

Ile będzie z tego energii?

Jeśli do tokamaka dostarczymy 50 MW mocy, by ogrzać plazmę, czyli przyspieszyć cząsteczki, wytworzy on 500 MW mocy termojądrowej przez okres od 400 do 600 sekund.

Inaczej mówiąc, “wydajemy” 50 MW energii. W zamian dzięki fuzji otrzymujemy 500 MW – tyle energii produkuje. Dla porównania skali, w Polsce w 2020 roku do sieci przyłączono w sumie 731 MW nowych mocy z farm wiatrowych na lądzie.

Oznacza to, że kontrolowana fuzja atomów uwalnia prawie cztery miliony razy więcej energii niż spalanie węgla, ropy lub gazu. Dostarcza też jej cztery razy więcej niż reakcje rozszczepienia jądrowego (przy jednakowej masie) – podaje ITER.

Czytaj również: Czy w przyszłości OZE wyprze atom, bo jest tanie? Nie do końca – wyjaśnia ekspert

Co to oznacza?

Przede wszystkim, że energia termojądrowa ma potencjał zasilać stabilnie miasta oraz przemysł, czyli mogłaby zastąpić paliwa kopalne w miksie energetycznym przyszłości.

Przy tym, paliwa termojądrowe są szeroko dostępne i prawie niewyczerpane. Cząsteczki wodoru używane w laboratorium można destylować z wody (deuter) lub uzyskać w oddziaływaniu z litem (tryt). Jak wskazuje ITER, ziemskie rezerwy litu wystarczyłyby przez ponad 1000 lat, a morskie zaspokajałyby potrzeby energetyczne przez miliony lat.

Czy ITER jest eko?

Energią termojądrową można byłoby tanio zasilić miliony gospodarstw domowych. Jej zaletą byłby zwłaszcza brak dodatkowych negatywnych konsekwencji dla środowiska naturalnego, jak emisje gazów cieplarnianych przy spalaniu węgla czy odpady radioaktywne w elektrowniach atomowych. Jej głównym produktem ubocznym jest hel – obojętny i nietoksyczny gaz.

Jak wynika z informacji ze strony ITER, odpady z reaktora termojądrowego w ciągu stu lat nadają się do ponownego wykorzystania.

Według szacunków zapotrzebowanie na energię ludzkości do końca wieku ma się potroić. ITER mógłby więc odegrać kluczową rolę na drodze do zredukowania emisji gazów cieplarnianych z produkcji energii.

Naukowcy twierdzą też, że energia z fuzji nie grozi katastrofami, jak ta w Czarnobylu czy Fukushimie. To dlatego, że osiągnięcie i utrzymanie warunków niezbędnych do fuzji jest wystarczająco trudne – w przypadku wystąpienia jakichkolwiek zakłóceń plazma ochładza się w ciągu kilku sekund i reakcja ustaje.

W skrócie

Musimy zaakceptować to, że odejście od węgla to nieuchronny, trwający od wielu lat trend – wywiad z Aleksandrem Śniegockim z WiseEuropa