Zagadnieniami związanymi z syntezą termojądrową dr Marcin Jakubowski zajmuje się od prawie 20 lat. Jego głównym zajęciem jest praca przy eksperymentalnym reaktorze w niemieckim Greifswaldzie. Jest on także członkiem gremium zrzeszającego naukowców z całego świata, zwanego International Tokamak Physics Activity, które opracowuje naukowe podstawy dla międzynarodowego projektu ITER, czyli tokamaka – rodzaju reaktora – budowanego na południu Francji.
Celem ITER jest wykorzystanie do produkcji energii elektrycznej reakcji termojądrowej (zwanej też fuzją), która polega na połączeniu dwóch jąder wodoru w jądro helu – czyli reakcji zbliżonej do tej, która zachodzi w Słońcu. Reakcja atomowa (jądrowa), którą obecnie wykorzystuje się w elektrowniach, polega zaś na rozszczepianiu ciężkich jąder np. uranu, na lżejsze pierwiastki.
Obserwator Finansowy: Cóż to za kosmiczny pomysł, żeby odpalić na Ziemi małe Słońce? Kto i kiedy pomyślał, że coś takiego jest możliwe w ziemskich warunkach?
Dr Marcin Jakubowski: Taka idea pojawiła się zaraz po II wojnie światowej. Amerykanie byli zafascynowani swoim programem atomowym, który doprowadził do zbudowania bomby, ale jednocześnie – przerażeni. W USA pierwsze podejścia w latach 50. podejmował Lyman Spitzer, który projektował pierwsze stellaratory. W Związku Radzieckim zaczęło się to trochę później, słynny fizyk Natan Jawlinski rozwinął koncepcję tokamaków – to skrót od toroidalnaja kamiera s magnitnymi katuszkami, czyli toroidalna komora zamknięta w pułapce magnetycznej.
Już wtedy było wiadomo, że taka reakcja wymaga bardzo wysokich temperatur. Dla laika mogą one wydawać się niewyobrażalne. Potrzebne jest bowiem medium, które działa w temperaturze 100 milionów stopni. I dzisiaj to nam się udaje – w reaktorach możemy uzyskiwać nawet wyższe temperatury, do 200 milionów stopni. To tylko kwestia tego, żeby wytworzyć w miarę wydajne grzanie.
Zajęło to kilka dziesięcioleci, ale udało się w końcu uzyskać stabilną reakcję. Co dowiodło, że jest to technicznie możliwe?
Najważniejszym eksperymentem, który pokazał, że to jest możliwe, był JET – Joint European Torus. W latach 90. zademonstrował on, że jest możliwe uzyskanie energii z fuzji dwóch izotopów wodoru – deuteru i trytu – które łączą się w jądro helu-4. I JET w swoim sztandarowym wyładowaniu uzyskał sprawność Q równe 0,65. Czyli uzyskano 16 megawatów mocy z syntezy termojądrowej używając 22 megawatów do nagrzania plazmy.
Czyli mniej wyprodukowano niż włożono?
Żeby uzyskać dodatni bilans energetyczny potrzeba reaktora o odpowiednim rozmiarze. Moc uzyskana w takim wyładowaniu jest proporcjonalna do objętości – im większa komora, tym więcej zachodzi reakcji, więc tym więcej energii wytwarzamy. A straty mocy są proporcjonalne do powierzchni plazmy. A że objętość rośnie szybciej niż powierzchnia – co wiemy z matematyki – to oznacza, że – w skrócie – potrzeba dużego urządzenia. I ITER ma być objętościowo 10 razy większy od JET.
Ile energii ma wytwarzać ITER?
ITER ma wytworzyć 500 megawatów po włożeniu 50 megawatów. Ma mieć więc sprawność Q równe 10.
A jak ten proces przebiega? Czy trzeba stale dostarczać do niego energię?
Jak już nastąpi zapłon, to reakcja sama siebie grzeje. Bierze się to z tego, że przy reakcji termojądrowej deuteru z trytem powstaje jądro helu i neutron. I to jądro helu ma pewną energię kinetyczną, która jest wykorzystywana do grzania plazmy. Natomiast neutron, który ma energię ponad cztery razy większą niż jądro helu, ucieka i uderza w płaszcz reaktora, rozgrzewa go i w ten sposób generuje ciepło, które potem jest przetwarzane na energię elektryczną.
Ten proces jest ciągły? Trzeba dosypywać paliwa?
Paliwa trzeba dosypywać, ale tego paliwa jest mało. Mówimy tu o gramach, a nie tysiącach ton – jak przy węglu. Trzy butelki wody – bo woda zawiera deuter – i trzy kamienie – źródło litu, który można przekształcić w tryt – zawierają wystarczającą ilość paliwa termojądrowego, by zasilić jedno domostwo przez rok. Albo inaczej. Jednogigawatowa elektrownia węglowa potrzebuje około 8 tysięcy ton węgla dziennie. Taka sama elektrownia termojądrowa będzie potrzebowała ciężarówkę paliwa na rok działania.
Skąd pochodzi paliwo? Z wody bierzemy deuter. A tryt?
Płaszcz reaktora wykonany jest z litu. I neutrony, które uderzają w ten lit wchodzą z nim w reakcję i w ten sposób powstaje tryt. Ten tryt jest z płaszcza „wyciągany” i wpuszczany do plazmy. Pozostaje więc całkowicie w zamkniętym obiegu. Trytu nie trzeba wydobywać. ITER, który będzie jeszcze reaktorem badawczym, będzie potrzebował trytu. Ale kolejne – już nie.
Jaka jest gwarancja, że elektrownia termojądrowa nie zamieni się w bombę termojądrową?
W reakcjach termojądrowych, w przeciwieństwie do reakcji jądrowej, nie ma reakcji łańcuchowej. Jeśli neutrony opuszczają plazmę, która jest bardzo rzadką substancją – w porównaniu z powietrzem atmosferycznym, w środku komory panuje prawie próżnia – to są całkowicie zatrzymywane w płaszczu litowym reaktora. Ta reakcja jest na tyle delikatna, że jakiekolwiek zaburzenie powoduje, że ona wygasa. Nie ma takiej możliwości, żeby doszło do sytuacji, w której nie będziemy w stanie wygasić takiej reakcji. Nie ma tam wykładniczego wzrostu – dzisiaj wszyscy dobrze wiedzą, co to znaczy – produkcji energii, który może zajść podczas niekontrolowanej reakcji łańcuchowej.
Opisał Pan jak działa reaktor. Ale czy my go będziemy stosować do tej samej metody wytwarzania energii, która jest stosowana w dzisiejszych elektrowniach – czyli do podgrzania wody, która napędza turbinę?
Rozczaruję Pana, ale tak. Niestety nikt do tej pory nie wymyślił nic bystrzejszego niż turbiny i generatory, które produkują energię elektryczną. Poza tym, nie widzę powodu, by tej technologii nie stosować. Jest ona dobrze znana i dopracowana.
Kołowrotek zostaje, tylko chomika unowocześniamy.
Dokładnie tak.
Wydaje się to zatem rozwiązaniem idealnym. Paliwo, które jest łatwo dostępne, którego uzyskanie nie wymaga eksploatacji zasobów naturalnych. Bezpieczny i bezemisyjny sposób wytwarzania energii cieplnej, którą potem przetwarzamy w energię elektryczną. W czym szkopuł?
Tak jak mówiłem, to wyładowanie jest delikatne, trzeba o nie dbać, żeby nie wygasło. Po pierwsze, musimy sprawić, by to wyładowanie przebiegało stabilnie – i na tym głównie skupiają się obecnie działania. Bo im stabilniej to działa, tym koszt jest mniejszy.
Druga sprawa, to też kwestia opłacalności. Duże strumienie neutronów, które powstają w takim reaktorze, oddziałują z całym otoczeniem, także ze ścianami reaktora. Obecne materiały nie są na tyle wytrzymałe, by opłacało się je wykorzystywać w komercyjnej elektrowni termojądrowej. Te materiały trzeba by wymieniać co roku, więc byłoby to nieopłacalne. Tutaj Unia Europejska, ale i cały świat naukowy inwestuje w nowe urządzenie badawcze – IFMIF – które będzie źródłem neutronów właśnie na takie potrzeby. Potrzebujemy inżynierów, którzy stworzą materiały jeszcze wytrzymalsze niż te, które mamy obecnie.
Jaki jest w takim razie harmonogram projektu?
ITER ma ruszyć w połowie tej dekady. A rozruch do pełnej mocy ma dojść w ciągu kolejnych 10 lat. Wiąże się to z tym, że zarówno liczba naukowców, jak i fundusze są ograniczone. ITER to nowe urządzenie, które będzie działało w reżimach, których jeszcze nie znamy – na przykład nie badaliśmy jeszcze nigdy plazmy, która sama się nagrzewa. Są pewne pytania, na które musimy jeszcze odpowiedzieć.
Poza tym, oczywiste, że uruchamianie urządzenia, którego całkowity koszt to 22 mld dolarów, będzie bardzo ostrożne i robione małymi kroczkami, żeby się nic nie zepsuło. ITER nie będzie jeszcze podłączony do sieci energetycznej, dopiero kolejny projekt DEMO będzie już działał jak elektrownia.
Są kraje, które są bardziej niecierpliwe – to Chiny i Korea Południowa. One mają agresywniejszy program dojścia do energii termojądrowej. Chiny, choć biorą udział w programie ITER, planują własny reaktor (CFETR), który ma mieć sprawność Q równe 12 i wytworzyć 1 gigawat energii.
Wspomniał Pan o koszcie. 22 miliardy dolarów – to rzeczywiście dużo, jak na jedno urządzenie. Z drugiej strony, ta kwota – z punktu widzenia tego, ile pieniędzy jest na rynkach, ile banki centralne pompują w system finansowy – to jest kropla w morzu funduszy, którymi zalewana jest gospodarka. Programy stymulacji monetarnej przez EBC czy Fed są liczone w bilionach. Nawet nasz NBP skupił w tym roku obligacje za ponad 100 mld zł – czyli w sumie nawet więcej niż te 22 mld dolarów. Dlaczego więc fundusze – w tak perspektywicznym projekcie – są barierą?
To jest bardzo ciekawe pytanie, ale nie umiem na nie odpowiedzieć. Można dać inny przykład. Program 500+ kosztuje obecnie ponad 40 mld zł rocznie. Czyli Polska mogłaby w 2-3 lata sama sfinansować program ITER. Niemcy daliby radę pewnie i w ciągu jednego roku.
Nie wiem, czemu tak jest. Unia teraz dyskutuje, jak pozbierać się po pandemii i jak skorygować budżet. Pierwszym z aspektów, któremu odjęto 20 proc. są wydatki na badania naukowe – w tym środki na badania nad syntezą jądrową. I to jest dużą niefrasobliwością. Stany Zjednoczone w czasach kryzysu właśnie zwiększają inwestycje w badania naukowe, bo stamtąd przychodzi impuls, by rozwijać nowe technologie, które napędzają gospodarkę.
To nie jest więc problem tylko Polski – ale także tych dojrzałych krajów. Często bieżące potrzeby przeważają nad tymi długoterminowymi problemami. Chińczycy czy Koreańczycy, którzy więcej w tę technologię zainwestują, mogą mieć gigantyczną przewagę nad resztą świata.
To jest takie zabawne. Większość, pewnie nawet 90 proc. technologii fuzji termojądrowej została rozwinięta między Europą a Stanami Zjednoczonymi i Rosją. Ale w tych krajach, pod różnymi naciskami – np. w Niemczech pod naciskiem Zielonych – redukuje się finansowanie. A korzystają na tym Chińczycy, którzy przez wiele lat nie robili nic w tej dziedzinie, a teraz przejmują tę wiedzę za darmo – nauka działa w domenie publicznej. I wykorzystają to potem, żeby nam te technologie sprzedawać.
Z drugiej strony, co to za różnica, czy kupimy tę technologię od Chin, czy od USA. Najlepiej byłoby mieć swoją, ale… wiadomo.
To ja dodam jeszcze jedną ważną rzecz. Edukacja. Polskim problemem z energetyką atomową nie jest tylko – skąd wziąć tę technologię. Ale też – skąd wziąć ludzi, którzy będą ją uruchamiali, doglądali i naprawiali. Nie mamy takich ludzi. Tak samo będzie z elektrowniami termojądrowymi. Potrzebna jest kadra naukowo-techniczna, która ogarnie taką technologię. Bo inaczej będziemy skazani na importowanie nie tylko urządzeń, ale i ludzi do obsługi. Albo na kupowanie tej energii po kablu z zagranicy. Trzeba działać już teraz, zaczynając od podstawówki.
Badania naukowe są w domenie publicznej, ale kiedy powstają konkretne rozwiązania technologiczne – jak przy ITER – to chyba jakimiś patentami są chronione?
ITER jest finansowany prawie całkowicie ze środków publicznych. Ten projekt tworzony jest przez konsorcjum siedmiu partnerów – Unię Europejską, Stany Zjednoczone, Chiny, Koreę Południową, Indie, Rosję i Japonię. Kto miałby mieć patent na ITER? Nie jesteśmy w stanie całego konceptu zastrzec. Pojedyncze rozwiązania są opatentowane – jakaś komora próżniowa, jakieś urządzenie przesyłowe – ale całości się nie da.
Wydaje mi się, że nastąpi komercjalizacja syntezy termojądrowej – tak jak to było w przypadku energetyki atomowej. I wtedy firmy zaczną same rozwijać własne koncepty, które będą ulepszać, podnosić wydajność, odkryją materiały, które są bardziej wytrzymałe. I wtedy pojawi się walka o własność intelektualną i o patenty. To będzie wyglądało jak komercjalizacja każdego innego źródła energii. Projekty finansowane ze środków publicznych – jak ITER, a potem DEMO – mają pokazać drogę, ale potem firmy przejmą ten proces i ciężar nakładów inwestycyjnych przesunie się na sektor prywatny.
Jaki jest horyzont czasowy upowszechnienia fuzji jako źródła energii? OZE są coraz tańsze i coraz efektywniejsze. Co będzie pierwsze: wydajne akumulatory, które pozwolą przechować to co wyprodukują wiatraki i panele czy energia z reaktorów termojądrowej?
Jakieś nowe rozwiązania w zakresie magazynowania energii w ciągu najbliższych dwóch dekad na pewno się pojawią, nie wierzę, żeby było inaczej. Ale to nie chodzi tylko o to, żeby tę energię wyłapać, ale także o to, żeby ją przechować bez strat, a później szybko wypuścić. Ale rynek produkcji energii nigdy nie jest na zawsze. Zawsze korzystamy z różnych źródeł. Teraz rośnie udział źródeł odnawialnych. To też będzie miało górną granicę – na ile nasze sieci przesyłowe będą w stanie wytrzymać te wahania produkowanej energii.
Szacuje się, że każde nowe źródło energii, od prototypu, żeby się upowszechnić, potrzebuje około 60 lat. XXI wiek będzie zdominowany przez OZE, pojawią się magazyny energii. Problem z energetyką odnawialną jest taki, że jest trudno skalowalna. Zapotrzebowanie na energię rośnie cały czas. Zwiększając produkcję energii wiatrowej trzeba równolegle zwiększać potencjał do jej magazynowania – koszt jest więc zawsze podwójny. Przypuszczam, że OZE i magazynowanie będzie się rozwijało do momentu, gdy powstanie elektrownia termojądrowa i przejmie dużą część tego rynku. Ale rynek zawsze będzie heterogeniczny.
Jest też kwestia środowiska – wszelkiego rodzaju baterie wymagają dużej ilości surowców – choćby litu, którego zasoby też są ograniczone; to kolejna bariera dla skalowalności. Jeśli w kolejnych dekadach pojawiałby się wkład z fuzji termojądrowej, to zastępowałby pewnie te elektrownie, które mamy dzisiaj – węglowe (o ile jakieś jeszcze dotrwają) czy atomowe. Zastępowalibyśmy jednego dużego producenta innym – a produkcja z OZE jest dużo bardziej rozproszona.
Nie patrzę na energię z fuzji jako na wyścig z OZE. Nawet jeśli energetyka odnawialna się rozwinie, jeśli pojawią się wydajne magazyny, to zawsze będzie miejsce na nowe źródła energii.
Patrzę na to raczej jako na wyścig ze zmianami klimatycznymi – to nasz najpoważniejszy problem obecnie. Każde rozwiązanie, które zmniejsza emisję dwutlenku węgla powinno być stosowane, nawet kosztem niedogodności. Obecnie żyjemy w najlepszych czasach w historii. Przeciętnemu Kowalskiemu żyje się lepiej niż królowi w średniowieczu, więc przez odrobinę niewygody – np. żeby pamiętać, by swój samochód elektryczny ładować w nocy a nie w dzień – nikomu korona z głowy nie spadnie.
Co upowszechnienie energii z fuzji jądrowej może zmienić dla reszty gospodarki?
Przede wszystkim zmieni się geopolityka. Nie trzeba będzie już najeżdżać Kuwejtu, żeby zdobyć paliwo, bo każdy będzie miał je u siebie. Problem jest natury technicznej – trzeba mieć kompetencje, żeby taką elektrownię zbudować. Ale jak już się ją ma, to nie ma znaczenia, gdzie są jakie złoża. Nie potrzeba ropy z Arabii Saudyjskiej, nie potrzeba gazu z Rosji. Spokój geopolityczny to potężny impuls dla gospodarki – żyjemy w Europie ponad 70 lat bez większej wojny i widzimy, jaki to ma wpływ na rozwój i dobrobyt.
Czy ta energia będzie dużo tańsza?
Na razie na to nie wygląda. Szacunki pokazują, że gdybyśmy teraz budowali taką elektrownię, to cena energii byłaby wyższa niż z węgla czy z atomu. Ale wiadomo – na początku energetyka wiatrowa była drogim hobby zamożnych państw, a teraz jest tańsza od węgla. Firmy komercyjne, które przejmują te technologie skupiają się na tym przede wszystkim, by zarobić pieniądze, dbają o podnoszenie efektywności.
Ale pójdźmy dalej – mamy XXII wiek i możemy budować tyle tych elektrowni, ile chcemy. Mamy więc niewyczerpywalne źródło energii. Możemy realizować projekty, które obecnie są nieopłacalne, bo koszt energii jest zbyt duży. Sky is the limit. Proszę zobaczyć, jaki nastąpił skok rozwojowy, kiedy wyszliśmy z czasów, gdy jedynym źródłem energii były nasze mięśnie lub siła koni pociągowych. Proszę sobie wyobrazić, że to, ile mamy energii, nie zależy od tego, ile mamy złóż. Ile potrzebujemy energii – tyle sobie budujemy. Ale gdzie my z tym pójdziemy – nie wiem. Nie jestem futurologiem.
