1. Czy elektrownie plazmowe będą dostarczać energię przed rokiem 2040?

Następnym krokiem po projekcie ITER będzie prototypowa elektrownia plazmowa. Będzie samowystarczalna, w tym sensie, że promieniotwórczy tryt potrzebny do generacji energii elektrycznej będzie wytwarzany w cyklu produkcyjnym w samej elektrowni Tylko nieznacznie będzie się różniła od prawdziwej elektrowni komercyjnej, której budowa planowana jest jeszcze w pierwszej połowie XXI wieku. Zgodnie z badaniami nad możliwością zastosowania fuzji w produkcji energii w przyszłości, elektrownie plazmowe mają szansę wejść na rynek energetyczny i dostarczać znaczącej części energii przed rokiem 2100.

2. Czy elektrownie plazmowe zredukują efekt cieplarniany, kwaśne deszcze i zanieczyszczenie środowiska?

Energia z fuzji generowana jest poprzez reakcje jądrowe, w których nie powstają żadne szkodliwe substancje, czyli również nie są produkowane gazy cieplarniane. Ponieważ żadne szkodliwe substancje nie są uwalniane do atmosfery, fuzja nie przyczynia się do obecnych plag w środowisku, takich jak kwaśne deszcze, efekt cieplarniany, czy zanieczyszczenie powietrza.

3. Czy elektrownie plazmowe zapewnią niezależność od importu energii?

Reakcja fuzji deuteru i trytu jest najłatwiejsza do przeprowadzenia. Deuter jest dostępny na Ziemi na szeroką skalę. W jednym metrze sześciennym wody znajduje się około 35 gramów deuteru. Tryt może być produkowany z litu, który występuje w dużej ilości w skorupie ziemskiej. Zasoby zarówno deuteru jak i litu są równomiernie rozmieszczone na Ziemi i żadne państwo nie jest w tym względzie uprzywilejowane, tak jak to ma miejsce w przypadku paliw kopalnych. Dlatego fuzja daje możliwość posiadania własnego źródła energii wszystkim krajom na świecie. To jest bardzo istotne dla takich rejonów jak Europa, która zgodnie z opublikowanymi danymi importuje obecnie około 50% potrzebnej energii, a jeśli nie pojawią się nowe rozwiązania, to do roku 2020 będzie importować 70%. Liczby te wyjaśniają dlaczego Unia Europejska i Japonia, dwa spośród największych, światowych potęg ekonomicznych, które są uzależnione od importu energii, wzięły na swoje barki odpowiedzialność za badania w dziedzinie fuzji jądrowej.

4. Jaka jest różnica między urządzeniami takimi jak JET i ITER?

Tokamak JET, który pracuje od 1983 roku, dostarczył obiecujących wyników: potwierdził możliwość samo-podgrzewania się plazmy a tym samym udowodnił, że  możliwe jest uzyskanie energii w magnetycznym reaktorze plazmowym. Jednakże tylko 15% całkowitej energii potrzebnej do podtrzymania plazmy pochodzi z samej reakcji fuzji, pozostała część jest dostarczana z zewnątrz. Zarówno w ITERze, jak i w przyszłych elektrowniach plazmowych, samo-podgrzewanie plazmy będzie dominującym procesem. Celem ITERa jest potwierdzenie i zoptymalizowanie warunków pracy reaktora produkującego energię z fuzji jądrowej oraz zademonstrowanie technicznych możliwości magnetycznego utrzymania plazmy. Kluczowe technologie o wysokim stopniu niezawodności, takie jak cykl produkcji trytu wewnątrz reaktora oraz szeroko stosowane zdalne sterowanie, będą miały decydujące znaczenie.

5. Czy wszystkie kraje realizujące projekt ITER mają takie same prawo użycia reaktora ITER do swoich celów badawczych?

Negocjacje pomiędzy uczestnikami (Stanami Zjednoczonymi, Unią Europejską, Japonią i Rosją) rozpoczęły się w 2001 roku. Negocjacje zakończyły się decyzją o budowie reaktora ITER. W późniejszych latach do projektu przyłączyły się Chiny, Korea i Indie. Wszystkie kraje, które finansowo wspierają projekt mają te same prawa w użytkowaniu ITERa. Wszystkie kraje dzielą się wiedzą zaczerpniętą z eksperymentów przeprowadzanych w reaktorze. Dla innych krajów, chętnych do podjęcia współpracy będą sporządzane dwustronne umowy.

6. Przemysł wspiera laboratoria w zakresie budowy urządzeń i rozwoju technologii do badań nad fuzją. Czy przyniosło mu to wymierne korzyści?

Korzyści dla przemysłu są dwojakiego rodzaju. Bezpośrednie, w postaci nabytych doświadczeń w trakcie pracy z ekspertami, zarówno fizykami jak i inżynierami. Wpływa to na postęp w projektowaniu i przygotowaniu komponentów do urządzeń badających fuzję. Pośrednie, polegające na wykorzystywaniu nabytych doświadczeń w innych dziedzinach gospodarki. Badania materiałowe, najnowsze technologie o najwyższej jakości i procedury rozwijane w czasie pracy nad fuzją stymulują rozwój takich dziedzin przemysłu jak technologia materiałów nadprzewodzących, inżynieria materiałowa oraz techniki pomiarowe.

7. Jaka może być moc elektrowni, w której pracuje jeden tokamak?

Przewiduje się, że możliwa będzie moc wynosząca 1-2 GW – taka sama jak w standardowej elektrowni węglowej.

8. Przez jaki czas, najdłużej, udało się utrzymać reakcję fuzji jądrowej w JET i w innych podobnych urządzeniach?

JET jest jedynym pracującym urządzeniem, w którym wykorzystuje się reakcje D-T (deuter-tryt). Ta reakcja utrzymuje się w JET przez okres około pięciu sekund. W eksperymentach przeprowadzanych w urządzeniu TFTR w Princeton w Stanach Zjednoczonych obserwowano emisję neutronów powstających w reakcji fuzji. Jednak TFTR już nie pracuje. Następnym krokiem jest tokamak ITER, który został zaprojektowany, budowa już się rozpoczęła i zostanie zakończona za około dziesięć lat. Będzie to urządzenie o dużo większej mocy w którym reakcja fuzji będzie utrzymywana przez 5-10 minut. Dostarczy on naukowcom niezbędnej wiedzy do zbudowania komercyjnej elektrowni plazmowej.

9. W jaki sposób pole magnetyczne utrzymuje plazmę? Jak przebiegają linie tego pola?

Plazma składa się z jonów (jest na tyle gorąca, że elektrony odrywają się od atomów), które oddziałują z polem magnetycznym. Linie pola magnetycznego przebiegają toroidalnie wzdłuż wnętrza tokamaka, zmuszając jony i elektrony do ruchu okrężnego wokół tych linii. Dodatkowe pole magnetyczne zapobiega ucieczce jonów poza centralną część wnętrza tokamaka i wpływa na większą stabilność plazmy.

10. Czy wiązki cząstek neutralnych, którymi plazma jest podgrzewana zanieczyszczają plazmę i powodują jej niestabilność? Jak są przyspieszane neutralne cząstki?

Wiązki neutralnych atomów nie zanieczyszczają plazmy – to są przede wszystkim atomy deuteru, które pobudzają reakcje fuzji jądrowej i zwiększają jej efektywność. Dzieje się tak poprzez zderzenia i jonizacje w których plazma podgrzewa się i zwiększa się jej gęstość. Najpierw, za pomocą pól elektrycznych, przyspieszane są jony, a następnie jony te są neutralizowane i kierowane w stronę plazmy.

11. Jak działa fuzja?

W reakcji fuzji jądra dwóch izotopów wodoru (w naszym przypadku deuteru i trytu) zderzają się przy tak ogromnych prędkościach, że następuje ich połączenie. Następnie rozpadają się na jądro helu i neutron. Uwalnia się przy tym energia, głównie w postaci energii kinetycznej neutronu. W elektrowniach plazmowych energia neutronów będzie wykorzystywana do podgrzewania wody, napędzającej turbinę parową. Energia kinetyczna jąder helu będzie przekazywana jądrom deuteru i trytu, podtrzymując w ten sposób reakcje fuzji w plazmie.

12. Jakie są sposoby podgrzewania plazmy?

W wypadku plazmy utrzymywanej za pomocą pól magnetycznych stosowane są trzy sposoby podgrzewania plazmy. Pierwszy to wykorzystanie silnego prądu elektrycznego, generowanego w plazmie w celu kontrolowania i utrzymania większej stabilności plazmy. Plazma nagrzewa się  pod wpływem tego prądu tak, jak kabel nagrzewa się kiedy płynie przez niego prąd elektryczny. To jest bardzo duży prąd (3-4 MA w JET)  i potrafi ogrzać plazmę do bardzo wysokiej temperatury. Jednak, aby osiągnąć temperaturę potrzebną do zainicjowania fuzji, potrzebne są jeszcze inne metody. Mikrofale emitowane w zakresie częstotliwości mega- i gigahercowych mogą w odpowiednich warunkach dostarczyć energii elektronom i jonom i ogrzać plazmę do jeszcze wyższej temperatury. Trzecim sposobem jest użycie wiązek cząstek neutralnych – są to przyspieszane do wysokich energii atomy, które wstrzykiwane do plazmy zderzają się z jonami i przekazują im swoją energię.

13. Co to jest prąd plazmy i co to jest impuls plazmy?

Istnieją dwie przyczyny generowania dużego prądu w plazmie. Po pierwsze, prąd ten powoduje powstanie bardzo dużego pola magnetycznego, który dodany do zewnętrznego pola magnetycznego utrzymuje plazmę wewnątrz tokamaka. Prąd również ogrzewa plazmę do wysokiej temperatury ( tak, jak prąd powoduje nagrzewanie się kabla w którym płynie). Impuls trwa bardzo krótko i polega na wygenerowaniu i utrzymaniu przez kilka sekund plazmy. Czas jest tak krótki ze względu na ogromną energię potrzebną do utrzymania plazmy. Impulsy plazmowe są badane w różnych eksperymentach na tokamaku JET w celu znalezienia optymalnych warunków pracy urządzenia.

14. Co to jest mały i duży promień plazmy?

Duży promień plazmy w tokamaku jest to promień tokamaka (liczony od osi tokamaka do osi plazmy w tokamaku), natomiast mały promień jest to promień samej plazmy w tokamaku (liczony od osi plazmy do brzegu plazmy).}

15. Wiemy, że energia uwalniana w reakcji fuzji jądrowej deuteru i trytu pochodzi od oddziaływania silnego. Czy można prosić o dokładniejsze wytłumaczenie tego zjawiska?

W trakcie reakcji nukleosyntezy mamy do czynienia z dwoma rodzajami sił. Elektrostatyczne siły kulombowskie działają na większych odległościach (w stosunku do rozmiarów jądra atomowego) i przeciwdziałają zbliżaniu się jąder (jądra atomowe mają ładunek dodatni) chyba, że ich energia (temperatura) jest wystarczająco duża na pokonanie tych sił. Właśnie dlatego temperatura plazmy musi być bardzo wysoka, aby możliwa była fuzja dwóch jąder. Siły jądrowe, będące objawem oddziaływania silnego, są krótko-zasięgowe i trzymają protony i neutrony razem w jądrze atomowym. Kiedy dochodzi do fuzji, siły jądrowe powodują przemieszczenie nukleonów (z układu deuter i tryt do układu hel i neutron), tak aby uzyskać mniejszą energię potencjalną układu (czyli masę). Efektem końcowym jest uwalnianie energii. Reasumując, siły kulombowskie działają na większych odległościach, pomiędzy jądrami atomowymi, natomiast siły oddziaływania silnego, czyli siły jądrowe, działają na krótszych odległościach, wewnątrz jąder atomowych.

16. W którym momencie jądra helu, nie powodują już ogrzewania plazmy a stają się niepotrzebnym zanieczyszczeniem?

Jądro helu uzyskuje około 20% całkowitej energii, wydzielanej w reakcji fuzji, pozostałe 80% unoszone jest przez neutron, który w przyszłej elektrowni plazmowej opuści pole magnetyczne i przejdzie przez płaszcz, oddając mu swoją energię kinetyczną. Płaszcz z kolei będzie podgrzewać wodę aż do uzyskania pary, która będzie poruszała turbinę. Natomiast jądro helu pozostaje w plazmie i poprzez zderzenia z  jądrami deuteru i trytu przekazuje im swoją energię, utrzymując przez to wysoką temperaturę plazmy, niezbędną do podtrzymania reakcji fuzji. Proces ten jest obserwowany i badany w JET (jedynym pracującym urządzeniu, wykorzystującym magnetyczne utrzymanie plazmy, w którym naukowcy obserwują uwalnianie energii w wyniku reakcji fuzji). Kiedy hel traci swoją energię i nie może już podgrzewać plazmy, staje się niepotrzebny i należy go usunąć – naukowcy nazywają go wówczas popiołem helowym. Usuwanie tego popiołu stanowi jedno z głównych wyzwań w badaniach nad fuzją. Jednym z możliwych rozwiązań jest uformowanie plazmy o przekroju litery D, którego dolny koniec dotyka dna komory. Dno komory posiada specjalną strukturę zwaną diwertorem. Jony helu w sposób naturalny przesuwają się w kierunku dolnego brzegu plazmy, skąd są ‘wydmuchiwane’ na diwertor i wypompowywane.

17. Co to jest płaszcz z litu i jaka jest jego rola? Co się dzieje, kiedy neutrony zostają zaabsorbowane przez lit w płaszczu?

Płaszcz litowy, to warstwa litu, która będzie otaczała gorącą plazmę w przyszłej elektrowni plazmowej. Warstwa ta absorbuje energię neutronów, powstałych w reakcji fuzji, a następnie poprzez wymienniki ciepła zamienia wodę w parę, która napędza turbinę generującą prąd elektryczny. Ponadto lit reaguje z neutronem, a w wyniku tej reakcji powstaje tryt (cięższy izotop wodoru), który razem z deuterem (drugim cięższym izotopem wodoru) stanowi główny składnik paliwa do reaktora fuzyjnego.

18. Wiemy, że im większa objętość plazmy tym większy współczynnik wzmocnienia. Jak dużego reaktora fuzyjnego możemy się spodziewać, kiedy już znane będą technologie do budowy tego reaktora?

Prawdą jest, że im więcej plazmy tym łatwiej jest ją utrzymać przez dłuższy czas i większy jest wtedy współczynnik wzmocnienia. Jednakże podniesienie temperatury i zwiększenie gęstości plazmy również daje ten sam efekt. Przewiduje się, że elektrownia plazmowa nie będzie większa od obecnych elektrowni jądrowych czy węglowych.

19. Nawet gdyby się udało utrzymać reakcje fuzji jądrowej przez dostatecznie długi okres czasu, to w jaki sposób będzie odbierana energia z reaktora?

Elektrownia plazmowa nie będzie się zasadniczo niczym różniła od konwencjonalnej elektrowni jeśli chodzi o przekazywanie energii do sieci. Energia z reaktora poprzez wymienniki ciepła będzie podgrzewała wodę a powstała z wody para będzie obracała turbiny generatora. W samym reaktorze energia będzie odbierana z płaszcza litowego, który będzie absorbował energię neutronów powstających w reakcji fuzji deuteru i trytu.

20. Jak można porównać dwa typy reakcji jądrowych: rozszczepienie i fuzję?

W reakcji rozszczepienia energia uzyskiwana jest poprzez rozbicie ciężkich atomów (np. uranu) i wykorzystaniu uwalniającej się energii do ogrzewania wody, która poprzez generator na parę produkuje elektryczność. Badania robione między innymi w JET mają na celu opracowanie metody wykorzystania energii uwalnianej w wyniku syntezy jąder lekkich, takich jak wodór. Jest to odtwarzanie procesów zachodzących wewnątrz Słońca. W europejskim tokamaku JET w Culham wytwarzany jest gorący gaz (inaczej mówiąc plazma) z jąder pierwiastków lekkich takich jak wodór, utrzymywany za pomocą silnego pola magnetycznego i ogrzewany do bardzo wysokiej temperatury, w której zachodzi reakcja fuzji jądrowej. Jest nadzieja, że elektrownia plazmowa (podobna ale większa od JET) będzie produkować energię elektryczną za 40 lat.

21. Było powiedziane, że moc reaktora fuzyjnego wyniesie około 1500 Megawatów. Jak długo może się utrzymywać taka moc reaktora?

Rzeczywiście, moc elektrowni plazmowej, około 1500 MW (czyli tyle mniej więcej co tradycyjnej elektrowni węglowej), będzie się utrzymywała przez cały czas pracy reaktora. Moc jednego wata oznacza, że jeden dżul energii uwalnia się w ciągu jednej sekundy, reaktor będzie więc wytwarzał 1.5 miliarda dżuli energii w każdej sekundzie swojej pracy.

22. Jakie są plany użycia cewek nadprzewodnikowych w tokamaku ITER?

W tokamaku ITER (2-3 razy większym od JET, który planowo zacznie działać w 2018 roku) oraz w przyszłych elektrowniach plazmowych, pole magnetyczne będzie wytwarzane przez nadprzewodnikowe cewki, które wymagają chłodzenia do bardzo niskich temperatur. Plazma w ITERze ma bardzo wysoką temperaturę ale należy pamiętać, że znajduje się wewnątrz komory, daleko od ścian, natomiast cewki nadprzewodnikowe są umieszczone całkowicie na zewnątrz komory i są zanurzone w odpowiedniej substancji chłodzącej. Tego typu rozwiązania technologiczne cewek nadprzewodnikowych już zostały przetestowane i dały pozytywne wyniki.

23. Czy celem badań prowadzonych w JET jest osiągnięcie rezultatu jakim będzie produkcja energii elektrycznej na skalę przemysłową?

Tak. Wyniki badań w JET i w innych tokamakach na świecie dały naukowcom niezachwianą pewność, że człowiek potrafi utrzymywać plazmę w sposób całkowicie kontrolowany. Potwierdzeniem tego będzie otrzymywanie energii z fuzji jądrowej w tokamaku ITER. Jednakże cały czas trwają prace nad optymalizacją warunków utrzymywania plazmy. Najbardziej istotnymi zagadnieniami są obecnie takie problemy jak usuwanie zanieczyszczeń z plazmy (poprzez diwertor), oraz wytwarzanie barier termicznych tak, aby poprawić warunki izolacji gorącej plazmy wewnątrz komory tokamaka.

Top