Gorąca debata naukowców na temat zimnej fuzji
Wraca pomysł uzyskiwania energii z reakcji termojądrowych. Departament Energetyki USA umieścił tę kwestię na pierwszym miejscu listy najpilniejszych projektów badawczych. Amerykańscy uczeni będą się zajmować nie tylko uznaną przez naukowców "gorącą" syntezą jądrową, ale i najbardziej kontrowersyjną tzw. zimną fuzją, która mogłaby zrewolucjonizować energetykę.
Konwencjonalne paliwa powoli się wyczerpują, alternatywne metody produkcji energii, takie jak baterie słoneczne czy elektrownie wiatrowe, są drogie i mało wydajne. Tymczasem potrzeby energetyczne - zwłaszcza krajów rozwijających się - rosną w błyskawicznym tempie. W 1997 r. zużyliśmy prawie 1300 mld gigawatogodzin energii. Według szacunków Energy Information Administration, w 2020 r. ludzkość będzie potrzebować 63 proc. więcej energii niż dzisiaj.
Sto milionów stopni Celsjusza na nic?
Prace nad syntezą termojądrową, czyli łączeniem się jąder atomowych lekkich pierwiastków, są prowadzone od kilkudziesięciu lat. Na razie jedynym praktycznym jej zastosowaniem były bomby wodorowe. Kontrolowana reakcja, choć możliwa w warunkach laboratoryjnych, trwa bardzo krótko (dotychczasowy rekord to kilka sekund!), a - co najgorsze - pożera więcej energii, niż produkuje. Jest to tzw. synteza gorąca, wymagająca podgrzania gazu takiego jak wodór do dziesiątków milionów stopni Celsjusza. Uczeni twierdzą, że jeśli zbudują odpowiednio duży reaktor, to po rozpoczęciu reakcji powstanie tyle ciepła, że plazma nie będzie wymagała dodatkowego podgrzewania i dzięki temu będzie wytwarzana energia termojądrowa.
Plany zbudowania takiego urządzenia o nazwie ITER powstały w połowie lat 80. Na przeszkodzie stały jednak wysokie koszty budowy (pierwotnie sięgające 10 mld USD!), które sprawiły, że z międzynarodowego konsorcjum wycofały się Stany Zjednoczone. Pozostałe państwa nie mogły ustalić, gdzie zostanie wybudowany reaktor - każde chciało mieć prestiżową inwestycję u siebie. Uczonym udało się zredukować budżet ITER i odzyskać przychylność USA. Pod uwagę brane są dwie lokalizacje - faworyzowany przez UE francuski ośrodek badań jądrowych Tore Supra w Cadarache oraz japoński Rokkasho-Mura (decyzja w tej sprawie ma zapaść w najbliższych tygodniach).
ITER będzie urządzeniem o wysokości 30 m, mieszczącym ponad 800 m3 plazmy wodorowej - gazu rozgrzanego do 100 mln°C. W tej temperaturze reakcja termojądrowa będzie na tyle wydajna, że reaktor ma produkować dziesięć razy więcej energii, niż będzie pobierał. Nie będą to jednak wielkie ilości - projekt przewiduje zaledwie 500 MW mocy (opalana węglem polska elektrownia Kozienice ma moc 2800 MW). Konstrukcja ITER będzie kosztować 5 mld USD i potrwa 8-10 lat. Komercyjne elektrownie termojądrowe pojawią się dopiero w 2050 roku.
Chłodne konstatacje
Piętnaście lat temu profesorowie Martin Fleischmann i Stanley Pons z University of Utah ogłosili, że udało im się przeprowadzić reakcję termojądrową bez ogromnego reaktora, wysokich temperatur i wydawania miliardów dolarów. Twierdzili, że wystarczy umieścić elektrody z metalu zwanego palladem w zbiorniku z ciężką wodą (zamiast wodoru zawiera jego cięższą odmianę - deuter) i przepuścić przez nie prąd. Media ogłosiły nadejście nowej ery zimnej fuzji jądrowej, a naukowcy na całym świecie próbowali uzyskać podobne wyniki.
- My również przeprowadziliśmy takie eksperymenty, ale wynik był negatywny - mówi prof. Marek Sadowski z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.
"Nasze prace potwierdziły, że zimna fuzja istnieje, ale jej uzyskanie wymaga bardzo starannego zaplanowania eksperymentu" - twierdzi tymczasem Michael McKubre z prywatnego amerykańskiego laboratorium SRI International. Jesienią ubiegłego roku McKubre, prof. Peter Hagelstein z Massachusetts Institute of Technology i prof. David Nagel z George Washington University zwrócili się do amerykańskiego Departamentu Energetyki o ocenę najnowszych wyników badań nad zimną fuzją. "To poważni naukowcy pracujący dla szanowanych instytucji. Uważam, że tym danym należy się przyjrzeć" - przyznał James Decker, zajmujący się programami badawczymi w departamencie. Wyniki analizy będą znane za kilka tygodni. Już teraz wiadomo, że zimna fuzja najprawdopodobniej nie była pomyłką - może się za nią ukrywać nie znana jeszcze reakcja chemiczna.
Fuzja bąbelkowa
Największy rozgłos zyskały badania zespołu prof. Rusiego Taleyarkhana z Purdue University, który ogłosił, że udało mu się uzyskać reakcję termojądrową w pojemniku z acetonem poddanym działaniu ultradźwięków! Wewnątrz gwałtownie ściskanego bąbelka gazu temperatura sięga milionów stopni, co wystarczy do wywołania syntezy termojądrowej na mikroskopijną skalę. Niedawno ta sama ekipa powtórzyła eksperyment, wykorzystując doskonalszą aparaturę pomiarową (badania sponsorował Pentagon). "Potwierdziliśmy wcześniejsze obserwacje i wyjaśniliśmy wątpliwości zgłoszone przez innych uczonych" - mówi zaangażowany w badania prof. Richard Lahey z Rensselear Polytechnic Institute.
- Jeżeli doniesienia o fuzji bąbelkowej zostaną ostatecznie potwierdzone przez inne zespoły naukowe, będzie to początek nowej drogi do kontrolowanej syntezy jądrowej. Trudno jednak obecnie oceniać szanse na praktyczne wykorzystanie tego zjawiska do produkcji energii - mówi prof. Kazimierz Różański z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Podstawowym problemem jest to, że w wyniku reakcji powstaje bardzo mało energii. Niektórzy uczeni widzą jednak konkretne zastosowania fuzji bąbelkowej. "Za dziesięć lat będę produkował przydomowe elektrownie wykorzystujące to zjawisko" - mówi Ross Tessien, właściciel firmy Impulse Devices. Na razie sprzedaje sprzęt do badań nad nowym zjawiskiem - zestaw kosztuje 250 tys. dolarów.
Konwencjonalne paliwa powoli się wyczerpują, alternatywne metody produkcji energii, takie jak baterie słoneczne czy elektrownie wiatrowe, są drogie i mało wydajne. Tymczasem potrzeby energetyczne - zwłaszcza krajów rozwijających się - rosną w błyskawicznym tempie. W 1997 r. zużyliśmy prawie 1300 mld gigawatogodzin energii. Według szacunków Energy Information Administration, w 2020 r. ludzkość będzie potrzebować 63 proc. więcej energii niż dzisiaj.
Sto milionów stopni Celsjusza na nic?
Prace nad syntezą termojądrową, czyli łączeniem się jąder atomowych lekkich pierwiastków, są prowadzone od kilkudziesięciu lat. Na razie jedynym praktycznym jej zastosowaniem były bomby wodorowe. Kontrolowana reakcja, choć możliwa w warunkach laboratoryjnych, trwa bardzo krótko (dotychczasowy rekord to kilka sekund!), a - co najgorsze - pożera więcej energii, niż produkuje. Jest to tzw. synteza gorąca, wymagająca podgrzania gazu takiego jak wodór do dziesiątków milionów stopni Celsjusza. Uczeni twierdzą, że jeśli zbudują odpowiednio duży reaktor, to po rozpoczęciu reakcji powstanie tyle ciepła, że plazma nie będzie wymagała dodatkowego podgrzewania i dzięki temu będzie wytwarzana energia termojądrowa.
Plany zbudowania takiego urządzenia o nazwie ITER powstały w połowie lat 80. Na przeszkodzie stały jednak wysokie koszty budowy (pierwotnie sięgające 10 mld USD!), które sprawiły, że z międzynarodowego konsorcjum wycofały się Stany Zjednoczone. Pozostałe państwa nie mogły ustalić, gdzie zostanie wybudowany reaktor - każde chciało mieć prestiżową inwestycję u siebie. Uczonym udało się zredukować budżet ITER i odzyskać przychylność USA. Pod uwagę brane są dwie lokalizacje - faworyzowany przez UE francuski ośrodek badań jądrowych Tore Supra w Cadarache oraz japoński Rokkasho-Mura (decyzja w tej sprawie ma zapaść w najbliższych tygodniach).
ITER będzie urządzeniem o wysokości 30 m, mieszczącym ponad 800 m3 plazmy wodorowej - gazu rozgrzanego do 100 mln°C. W tej temperaturze reakcja termojądrowa będzie na tyle wydajna, że reaktor ma produkować dziesięć razy więcej energii, niż będzie pobierał. Nie będą to jednak wielkie ilości - projekt przewiduje zaledwie 500 MW mocy (opalana węglem polska elektrownia Kozienice ma moc 2800 MW). Konstrukcja ITER będzie kosztować 5 mld USD i potrwa 8-10 lat. Komercyjne elektrownie termojądrowe pojawią się dopiero w 2050 roku.
Chłodne konstatacje
Piętnaście lat temu profesorowie Martin Fleischmann i Stanley Pons z University of Utah ogłosili, że udało im się przeprowadzić reakcję termojądrową bez ogromnego reaktora, wysokich temperatur i wydawania miliardów dolarów. Twierdzili, że wystarczy umieścić elektrody z metalu zwanego palladem w zbiorniku z ciężką wodą (zamiast wodoru zawiera jego cięższą odmianę - deuter) i przepuścić przez nie prąd. Media ogłosiły nadejście nowej ery zimnej fuzji jądrowej, a naukowcy na całym świecie próbowali uzyskać podobne wyniki.
- My również przeprowadziliśmy takie eksperymenty, ale wynik był negatywny - mówi prof. Marek Sadowski z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.
"Nasze prace potwierdziły, że zimna fuzja istnieje, ale jej uzyskanie wymaga bardzo starannego zaplanowania eksperymentu" - twierdzi tymczasem Michael McKubre z prywatnego amerykańskiego laboratorium SRI International. Jesienią ubiegłego roku McKubre, prof. Peter Hagelstein z Massachusetts Institute of Technology i prof. David Nagel z George Washington University zwrócili się do amerykańskiego Departamentu Energetyki o ocenę najnowszych wyników badań nad zimną fuzją. "To poważni naukowcy pracujący dla szanowanych instytucji. Uważam, że tym danym należy się przyjrzeć" - przyznał James Decker, zajmujący się programami badawczymi w departamencie. Wyniki analizy będą znane za kilka tygodni. Już teraz wiadomo, że zimna fuzja najprawdopodobniej nie była pomyłką - może się za nią ukrywać nie znana jeszcze reakcja chemiczna.
Fuzja bąbelkowa
Największy rozgłos zyskały badania zespołu prof. Rusiego Taleyarkhana z Purdue University, który ogłosił, że udało mu się uzyskać reakcję termojądrową w pojemniku z acetonem poddanym działaniu ultradźwięków! Wewnątrz gwałtownie ściskanego bąbelka gazu temperatura sięga milionów stopni, co wystarczy do wywołania syntezy termojądrowej na mikroskopijną skalę. Niedawno ta sama ekipa powtórzyła eksperyment, wykorzystując doskonalszą aparaturę pomiarową (badania sponsorował Pentagon). "Potwierdziliśmy wcześniejsze obserwacje i wyjaśniliśmy wątpliwości zgłoszone przez innych uczonych" - mówi zaangażowany w badania prof. Richard Lahey z Rensselear Polytechnic Institute.
- Jeżeli doniesienia o fuzji bąbelkowej zostaną ostatecznie potwierdzone przez inne zespoły naukowe, będzie to początek nowej drogi do kontrolowanej syntezy jądrowej. Trudno jednak obecnie oceniać szanse na praktyczne wykorzystanie tego zjawiska do produkcji energii - mówi prof. Kazimierz Różański z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Podstawowym problemem jest to, że w wyniku reakcji powstaje bardzo mało energii. Niektórzy uczeni widzą jednak konkretne zastosowania fuzji bąbelkowej. "Za dziesięć lat będę produkował przydomowe elektrownie wykorzystujące to zjawisko" - mówi Ross Tessien, właściciel firmy Impulse Devices. Na razie sprzedaje sprzęt do badań nad nowym zjawiskiem - zestaw kosztuje 250 tys. dolarów.
| Wodór nadziei |
|---|
| Czysty wodór uważany jest przez wielu uczonych za paliwo przyszłości, które niedługo posłuży m.in. do napędzania samochodów. Spalanie kilograma tego gazu daje 120 megadżuli energii oraz czystą wodę. Ze spalenia kilograma węgla kamiennego uzyskuje się przeciętnie 25 megadżuli przy znacznym zanieczyszczeniu środowiska. Przy spalaniu wodoru powstaje i tak miliony razy mniej energii, niż można uzyskać wskutek łączenia się jąder izotopów wodoru, takich jak deuter (zawiera proton i neutron) i tryt (proton i dwa neutrony). W czasie tego procesu maksymalnie procent materii zamieniany jest w energię. Produktami reakcji termojądrowych są jądra helu, neutrony i promieniowanie. Z naparstka deuteru można uzyskać tyle energii, ile ze spalenia 20 ton węgla. Deuter występuje w naturze sześć tysięcy razy rzadziej niż wodór, ale i tak jego zasoby w ziemskich oceanach oceniane są na 40 bln ton! |
Więcej możesz przeczytać w 17/2004 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.
