Międzynarodowy projekt ITER we Francji ma udowodnić, że fuzja jądrowa – proces zasilający gwiazdy – może stać się źródłem czystej i niemal nieograniczonej energii. Celem jest osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego (Q≥10) w największym na świecie tokamaku, podgrzewając plazmę do 150 mln kelwinów. W projekcie uczestniczy 7 partnerów, a koszt szacowany jest na ponad 20 mld euro. Pierwsza plazma planowana jest na 2034 rok.

• Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) to międzynarodowe przedsięwzięcie naukowe, którego celem jest badanie fuzji jądrowej. Centralnym elementem jest tokamak – największe tego typu urządzenie na świecie, zaprojektowane do utrzymywania plazmy za pomocą silnych pól magnetycznych. Głównym zadaniem jest osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego (Q≥10), czyli 10-krotnie więcej energii z reakcji niż włożono do jej podgrzania.
• Idea ITER narodziła się w 1985 roku jako inicjatywa USA, ZSRR, Japonii i Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej, mająca połączyć zasoby i pokazać naukę jako most porozumienia w okresie schyłku zimnej wojny. Po latach negocjacji w 2005 roku wybrano lokalizację w Cadarache w południowej Francji. Główne prace konstrukcyjne rozpoczęto w 2007 roku, jednak z powodu opóźnień powstanie pierwszej plazmy przesunięto z 2025 na 2034 rok.
• W projekcie uczestniczy siedmiu partnerów: Unia Europejska (odpowiedzialna za 45,6 proc. kosztów), Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA. Łączny koszt szacowany jest na 20-22 mld euro. Co istotne, 90 proc. wkładu stanowią dostarczane komponenty, systemy i budynki, a nie gotówka, co czyni ITER jednym z najbardziej złożonych projektów badawczych w historii.
• Reakcja fuzji w ITER będzie zachodzić między deuterem (występującym naturalnie w wodzie morskiej) a trytem (wytwarzanym z litu). Plazma będzie podgrzewana do temperatury około 150 mln kelwinów – dziesięciokrotnie wyższej niż w jądrze Słońca. W przeciwieństwie do elektrowni jądrowych, w tokamaku znajduje się tylko kilka gramów paliwa, a reakcja nie jest samopodtrzymująca, co eliminuje ryzyko niekontrolowanego wybuchu.
• ITER jest projektem badawczym i nie będzie produkował energii elektrycznej. Jego sukces otworzy drogę do budowy demonstracyjnych reaktorów klasy DEMO, które mają dostarczać energię do sieci. Jeśli eksperyment się powiedzie, fuzja jądrowa może stać się przyszłością czystej, bezpiecznej i niemal niewyczerpalnej energii, zmieniając globalny miks energetyczny.

ITER, czyli Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny, to ogromne międzynarodowe przedsięwzięcie naukowe mające na celu badanie fuzji jądrowej – procesu, który zachodzi we wnętrzu Słońca i innych gwiazd. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa iter oznaczającego „drogę” i doskonale oddaje istotę projektu – ma on wyznaczyć kierunek rozwoju energetyki fuzyjnej.

Głównym zadaniem ITER jest udowodnienie, że energię z fuzji można uzyskać i kontrolować na Ziemi w skali przemysłowej. Centralnym elementem instalacji będzie tokamak – największe tego typu urządzenie na świecie. Projekt nie będzie jednak produkował energii elektrycznej, ponieważ jego celem jest badanie samego procesu fuzji, a dodatkowe generowanie energii zwiększyłoby złożoność i koszty przedsięwzięcia.

ITER jest przykładem globalnej współpracy na niespotykaną dotąd skalę, porównywalnej jedynie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W projekcie uczestniczy siedmiu partnerów: Unia Europejska, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA. Koszt szacowany jest na około 20-22 miliardów euro, z czego za największą część (45,6 procent) odpowiada Unia Europejska. Pozostała część kosztów została podzielona w przybliżeniu równo pomiędzy pozostałych partnerów.

Co ciekawe, 90 procent kosztów projektu nie jest realizowana w formie funduszy pieniężnych, lecz gotowych komponentów, systemów i budynków dostarczanych przez poszczególnych partnerów. Taki model współpracy czyni ITER jednym z najbardziej złożonych projektów badawczych w historii, wymagającym koordynacji dostaw z kilkudziesięciu krajów na wszystkich kontynentach.

Jak działa „sztuczne Słońce”? Fuzja jądrowa w pigułce

Fuzja jądrowa, w przeciwieństwie do rozszczepiania jądrowego stosowanego w obecnych elektrowniach atomowych, polega na łączeniu lekkich jąder atomowych w cięższe. Ten sam proces utrzymuje Słońce w blasku od miliardów lat. W wyniku połączenia uwalniane są ogromne ilości energii – znacznie większe niż w przypadku reakcji chemicznych, takich jak spalanie węgla czy gazu.

Do przeprowadzenia fuzji niezbędna jest plazma – czwarty stan materii, w którym elektrony są oderwane od jąder atomowych. Problem polega na tym, że jądra atomów, pozbawione ujemnie naładowanych elektronów, mają dodatni ładunek elektryczny i silnie się odpychają, podobnie jak magnesy o tych samych biegunach. Aby mogły się do siebie zbliżyć na odległość jądrową rzędu 10⁻¹⁵ metra, konieczną do zajścia fuzji, muszą poruszać się z ogromnymi prędkościami.

Ponieważ temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek, jedynym sposobem na osiągnięcie takich warunków jest silne podgrzanie plazmy. W jądrze Słońca wystarcza temperatura około 15 milionów kelwinów dzięki potężnej grawitacji ściskającej materię. Na Ziemi, pozbawieni tej naturalnej pomocy, musimy podnieść temperaturę plazmy aż do około 150 milionów kelwinów – dziesięciokrotnie więcej niż w jądrze naszej gwiazdy.

W badaniach nad fuzją jądrową najczęściej wykorzystuje się reakcję pomiędzy dwoma izotopami wodoru: deuterem i trytem. Deuter występuje naturalnie w wodzie morskiej, natomiast tryt jest pierwiastkiem promieniotwórczym, który w reaktorach takich jak ITER będzie wytwarzany z litu. Reakcja deuterowo-trytowa jest obecnie najlepiej poznana i wymaga najniższych temperatur spośród rozważanych reakcji fuzji, co czyni ją najbardziej obiecującą z punktu widzenia eksperymentów.

Tokamak. Serce reaktora i jego zadanie

Tokamak to urządzenie o kształcie pierścienia, zaprojektowane do utrzymywania niezwykle gorącej plazmy za pomocą silnych pól magnetycznych. Geometria ta pozwala na zamknięcie plazmy w stabilnej pętli, bez kontaktu ze ścianami reaktora. Ponieważ plazma składa się z naładowanych cząstek, silnie reaguje ona na pole magnetyczne. Dzięki odpowiednio rozmieszczonym cewkom magnetycznym możliwe jest precyzyjne kontrolowanie jej położenia i kształtu oraz utrzymywanie jej w bezpiecznej odległości od ścian urządzenia.

Wnętrze tokamaku znajduje się w próżni, co minimalizuje straty energii i umożliwia utrzymywanie ogromnej różnicy temperatur pomiędzy plazmą rozgrzaną do setek milionów stopni a znacznie chłodniejszymi elementami konstrukcji. ITER będzie największym tokamakiem na świecie – jego parametry znacznie przewyższają wszystkie dotychczas zbudowane urządzenia tego typu.

W przeciwieństwie do elektrowni jądrowych opartych na rozszczepieniu, tokamak podczas pracy zawiera jedynie kilka gramów paliwa, a reakcja fuzji nie jest samopodtrzymująca. Oznacza to, że w przypadku jakichkolwiek zakłóceń pracy reaktora plazma szybko stygnie i zanika, co praktycznie eliminuje ryzyko niekontrolowanego wybuchu. To jedna z kluczowych przewag bezpieczeństwa fuzji nad rozszczepieniem.

Geneza i rozwój projektu. Od Reagana i Gorbaczowa do Cadarache

Badania nad fuzją sięgają lat 50. XX wieku, kiedy w ZSRR i USA powstawały pierwsze urządzenia typu tokamak. W kolejnych dekadach ośrodki naukowe w Europie i Japonii rozwijały tę technologię, budując coraz bardziej zaawansowane reaktory eksperymentalne, takie jak JET w Europie czy JT-60 w Japonii.

Wraz z upływem czasu koszty badań nad fuzją jądrową zaczęły gwałtownie rosnąć. W latach 80., w realiach trwającej zimnej wojny, pojawiła się idea międzynarodowego projektu, który miał nie tylko połączyć zasoby finansowe i technologiczne, ale także pokazać naukę jako most porozumienia między zwaśnionymi blokami politycznymi.

ITER narodził się jako inicjatywa USA, ZSRR, Japonii i Europejskiej Wspólnoty Gospodarczej, będąc bezpośrednim efektem rozmów między przywódcami mocarstw w okresie schyłku zimnej wojny w 1985 roku. Rywalizacja o lokalizację reaktora toczyła się głównie między dwoma miejscami: Cadarache w południowej Francji oraz Rokkasho w Japonii. W 2005 roku ostatecznie wybrano Cadarache. Główne prace konstrukcyjne rozpoczęto w 2007 roku, jednak z powodu opóźnień przesunięto powstanie pierwszej plazmy z końca 2025 na 2034 rok.

Najważniejszy parametr. Współczynnik Q i dodatni bilans energetyczny

Głównym celem projektu jest osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego, czyli uzyskanie więcej energii, niż było potrzebne do jej stworzenia. Bardzo pomocnym wskaźnikiem jest tu Q, który jest stosunkiem mocy fuzji do mocy potrzebnej do ogrzania plazmy. Celem jest uzyskanie wartości Q większej lub równej 1.

Poprzednie urządzenia eksperymentalne były w stanie uzyskać ten współczynnik maksymalnie na poziomie Q=0,67 – taki wynik osiągnął europejski tokamak JET, największy dotychczasowy tokamak badawczy w Europie. ITER jest zaprojektowany w taki sposób, aby w przyszłości uzyskać Q na poziomie nawet 10, co oznaczałoby dziesięciokrotnie więcej energii uzyskanej z reakcji, niż do niej włożonej.

To właśnie ten parametr czyni ITER przełomowym. Żadne dotychczasowe urządzenie nie było w stanie osiągnąć dodatniego bilansu energetycznego w kontrolowanej reakcji fuzji. Sukces ITER otworzyłby drogę do budowy pierwszych demonstracyjnych elektrowni fuzyjnych.

Granice współczesnej inżynierii

Cały projekt jest ogromnym wyzwaniem technologicznym, które testuje granice współczesnej inżynierii. Budowa i montaż wielkich cewek magnetycznych wytwarzających pola o natężeniu rzędu kilkunastu tesli, próba utrzymania plazmy o temperaturze ponad 100 milionów kelwinów, a także koordynacja dostaw komponentów z kilkudziesięciu krajów – to tylko niektóre obszary, w których ITER przesuwa granice możliwości.

Z tych powodów terminy realizacji były wielokrotnie przesuwane. Pierwotnie zakładano, że pierwsza plazma pojawi się w ITER pod koniec 2025 roku. Obecnie mówi się o 2034 roku jako najbardziej realnym terminie osiągnięcia tego kamienia milowego. Opóźnienia wynikają nie tylko z trudności technicznych, ale także z problemów w koordynacji zespołów z całego świata i wpływu pandemii na łańcuchy dostaw.

Co dalej? Reaktory klasy DEMO i przyszłość energetyki fuzyjnej

Projekt ITER nie będzie końcem drogi. Naukowcy już planują kolejne kroki, między innymi w postaci reaktorów klasy DEMO, które mogłyby w przyszłości dostarczać energię elektryczną do sieci. Jeżeli przedsięwzięcie osiągnie sukces, otworzy ono drzwi do przyszłych komercyjnych elektrowni termojądrowych.

Reaktory klasy DEMO (demonstracyjne elektrownie) są obiektami planowanymi przez większość członków ITER. Ich zadaniem będzie dalszy rozwój technologii związanych z fuzją jądrową, jednak będą to obiekty bardziej regionalne, bez tak intensywnej współpracy międzynarodowej . Szacuje się, że pierwsze elektrownie fuzyjne mogłyby powstać w drugiej połowie XXI wieku. Potencjalne korzyści są ogromne. Fuzja jądrowa oferuje praktycznie nieograniczone źródło czystej energii – paliwem jest deuter, którego zasoby w wodzie morskiej są praktycznie niewyczerpane, oraz lit, również powszechnie występujący. Reakcja nie produkuje długożyciowych odpadów promieniotwórczych, a samo urządzenie jest bezpieczne z natury – w razie awarii plazma po prostu gaśnie.

Historyczna umowa na polski projekt SMR podpisana w USA

Fot. Iter.org

Opracowano na podstawie: oficjalnych materiałów ITER.org, publikacji Koła Naukowego Odnawialnych Źródeł Energii, danych Europejskiej Wspólnoty Energii Atomowej (Euratom), informacji Amerykańskiego Departamentu Energii.