Paliwa przysz│o╢ci cz.1 - fuzja termoj▒drowa

Najbli┐sze trzy artyku│y po╢wiΩcΩ na om≤wienie najbardziej prawdopodobnych w przysz│o╢ci substytut≤w paliw kopalnych, jakimi s▒ obecnie gaz ziemny, ropa naftowa oraz wszelkie rodzaje wΩgla.

Fizycy dostrzegaj▒ obecnie trzy ╝r≤d│a energii zdolne do zast▒pienia obecnie stosowanych paliw. S▒ to:
1. fuzja termoj▒drowa,
2. reaktory powielaj▒ce,
3. energia s│oneczna.

Te nowe ╝r≤d│a energii musz▒ spe│niaµ nastΩpuj▒ce kryteria:
- musz▒ byµ tanie,
- musz▒ byµ niewyczerpalne,
- i musz▒ byµ nieograniczone.

Dlaczego w og≤le warto sobie zawracaµ g│owΩ poszukiwaniem nowych ╝r≤de│ energii? Takie pytanie obecnie zadaje ju┐ tylko laik. Wiadomo przecie┐, ┐e stosowane w tej chwili paliwa s▒ wyczerpalne i raczej nieodnawialne. Stwarza to powa┐ny problem dla przysz│ych pokole± (je╢li za│o┐yµ, ┐e dla nas ropy naftowej i gazu wystarczy) - na czym bΩd▒ je╝dziµ samochody naszych wnuk≤w? Szukamy zatem alternatywnych ╝r≤de│ energii - wΩgla wystarczy prawdopodobnie w USA na przynajmniej 500 lat, ale nie bΩdzie siΩ go stosowaµ w takich ilo╢ciach jak obecnie ze wzglΩdu na problemy ╢rodowiskowe jakie on stwarza.

Przysz│o╢ciowe ╝r≤d│a energii opieraj▒ siΩ nie na surowcach kopalnych, tylko na zwyk│ej wodzie. Jak? Zaraz to wyja╢niΩ.

Ta sama si│a, kt≤ra rozgrzewa S│o±ce i sprawia, ┐e gwiazdy i galaktyki ╢wiec▒, mo┐e dziΩki fuzji termoj▒drowej, rozja╢niaµ noc▒ nasze miasta. Podstawowym paliwem stosowanym w urz▒dzeniach wykorzystuj▒cych syntezΩ j▒der atomowych jest zwyk│a woda morska, a jej przecie┐ mamy pod dostatkiem. W wodzie morskiej istniej▒ praktycznie nieograniczone zapasy deuteru (izotopu wodoru). Fizycy z Princeton obliczyli, ┐e starczy│oby go nam na milion do 10 milion≤w lat! Niestety ╝r≤d│o to jest na razie z bardzo prostej przyczyny niedostΩpne. J▒dra wodoru odpychaj▒ siΩ z wielk▒ si│▒ gdy┐ s▒ jednoimienne, dodatnio na│adowane. Aby pokonaµ odpychanie elektrostatyczne, trzeba podgrzaµ wod≤r do takiej temperatury, ┐eby zderzaj▒ce siΩ ze sob▒ j▒dra mog│y siΩ zetkn▒µ. W takich warunkach nastΩpuje synteza wodoru w hel a zjawisku temu wydzielanie siΩ olbrzymich ilo╢ci ciep│a. Aby jednak wystarczaj▒co zbli┐yµ do siebie j▒dra wodoru, nale┐y wytworzyµ temperaturΩ rzΩdu 10-100 milion≤w stopni, czyli o wiele wy┐sz▒ ni┐ temperatury spotykane gdziekolwiek na kuli ziemskiej. Mo┐na zdetonowaµ bombΩ wodorow▒, ale nie chodzi nam o zag│adΩ ludzko╢ci a o paliwo potrzebne do ┐ycia i rozwoju.

Kiedy powstaje gwiazda, olbrzymie pole grawitacyjne ╢ciska ob│ok gazu a┐ do stanu, w kt≤rym temperatura w ╢rodku osi▒ga 10-100 milion≤w stopni. To wystarcza do zainicjowania reakcji │▒czenia siΩ j▒der wodoru w hel. Proces fuzji "zapala" wod≤r i powstaje gwiazda. Nosi to nazwΩ pu│apki grawitacyjnej.

Na Ziemi nie dysponujemy tak wielkimi polami grawitacyjnymi, ┐eby uwiΩziµ plazmΩ, ale mamy tak zwan▒ butelkΩ magnetyczn▒. OdmianΩ tego urz▒dzenia, zwan▒ pu│apk▒ magnetyczn▒, stosuje siΩ w tokamaku. Konstrukcja ta opiera siΩ na pomy╢le fizyk≤w rosyjskich, Andrieja Sacharowa i Igora Tamma. Obecnie jest ona bardzo rozpowszechniona. Na przyk│ad w tokamaku w Princeton pole magnetyczne utrzymuje zjonizowany wod≤r w rurze o kszta│cie obwarzanka. Tokamak z Princeton ustanowi│ ╢wiatowy rekord, generuj▒c 9 milion≤w wat≤w mocy w kr≤tkiej, trwaj▒cej u│amek sekundy, erupcji energii. Typowa elektrownia generuje 1000 milion≤w wat≤w mocy w ci▒g│ym procesie.

Drugi pomys│ utrzymania gor▒cej plazmy w ograniczonej przestrzeni jest zwany pu│apka bezw│adno╢ciow▒. Znalaz│ zastosowanie zar≤wno w konstrukcji bomby wodorowej, jak i laserowej instalacji do przeprowadzania fuzji termoj▒drowej, znajduj▒cej siΩ w Narodowym Laboratorium Livermore w Kalifornii. Do spowodowania wybuchu bomby wodorowej potrzebna jest bomba atomowa niewielkiej mocy, kt≤rej eksplozja wytwarza potΩ┐ny impuls promieniowania rentgenowskiego. Podczas tego wybuchu nastΩpuje kompresja pewnej ilo╢ci deuterku litu. Rozgrzewa siΩ on do bardzo wysokiej temperatury, i zachodzi reakcja j▒drowa, w wyniku kt≤rej powstaje hel oraz uwalnia siΩ ciep│o.

W obu rozwi▒zaniach konstrukcyjnych energiΩ uwalnian▒ w procesie fuzji termoj▒drowej wychwytujemy za po╢rednictwem wody. Wytworzona gor▒ca para wodna kierowana jest na │opatki turbin napΩdzaj▒cych generatory pr▒du, takie same jak w elektrowniach wodnych, czy opalanych wΩglem.

Obecnie Stany Zjednoczone wydaj▒ rocznie oko│o 370 milion≤w dolar≤w na badania nad fuzj▒ nuklearn▒. Japonia i Niemcy wydaj▒ na ten cel o 40% wiΩcej.

Widz▒c sta│y postΩp zmierzaj▒cy do rozpowszechnienia fuzji termoj▒drowej, fizycy z Princeton przedstawili przybli┐on▒ chronologiΩ zdarze±:
1. do 2010 roku: zako±czenie budowy tysi▒cmegawatowego miΩdzynarodowego eksperymentalnego reaktora termoj▒drowego;
2. do 2025 roku: skonstruowanie prototypowej elektrowni wykorzystuj▒cej fuzjΩ;
3. do 2035 roku: powstanie pierwszych zak│ad≤w energetycznych o znaczeniu gospodarczym wykorzystuj▒cych zjawisko fuzji termoj▒drowej;
4. do 2050 roku: rozpowszechnienie tego typu zak│ad≤w energetycznych.

Clifford