Naukowcy i inżynierowie od lat pracują nad opanowaniem fuzji jądrowej. Reakcji, która napędza gwiazdy. To niezwykle trudne technologicznie, ale jeśli się uda – jako ludzkość możemy uzyskać dostęp do supertaniej i czystej energii.

Od lat fascynuje mnie ten pomysł. Dlatego zależało mi, żeby pojawił się na początku istnienia Radia Naukowego – u progu nowej dekady. Wiadomo, magia liczb, nowa dekada, nowe wyzwania, nowe nadzieje.

Na czym więc polega fuzja jądrowa? – Na łączeniu się lżejszych jąder atomowych w cięższe. Najprostszym przykładem jest połączenie dwóch jąder wodoru w jądro deuteru. W wyniku reakcji fuzji mamy emitowany nadmiar energii – tłumaczy w podcaście dr hab. Jacek Rzadkiewicz, profesor Narodowego Centrum Badań Jądrowych. To reakcja odwrotna od reakcji rozszczepienia, znanej nam z klasycznych elektrowni jądrowych.

Elektrownia termojądrowa będzie efektywna, czysta (nie będzie emitować CO2, nie trzeba się będzie przejmować odpadami radioaktywnymi), a jej paliwem będzie wodór, a dokładnie dwa jego izotopy: deuter (powszechnie występujący w wodzie) i tryt, który można uzyskać z rozpowszechnionego pierwiastka, litu.

Wizja piękna, ale technologicznie ogromnie trudna. Naukowcom już udaje się do takiej reakcji doprowadzać, ale póki co więcej trzeba do reaktorów energii wkładać, niż się jej otrzymuje. We Francji właśnie trwa budowa ITER-a, urządzenia, które ma być pod tym względem przełomowe. Ma być gotowy w 2025 roku. W projekt zaangażowani są również Polacy.

Tutaj możecie zobaczyć, jak będzie wyglądał:

Prof. Rzadkiewicz zajmuje się fuzją już od kilkunastu lat. Żmudna to praca, ale kto wie, może bierze udział w przedsięwzięciu, które zmieni naszą cywilizację? – Praca fizyka to jak wędrówka w górach. Zakładamy ciężki plecak, człowiek się poci, jest ciężko. Ale przyjemność czeka na końcu. Ten piękny widok, który można ze szczytu zobaczyć. Z fizyką jest podobnie. To wzrusza i daje siłę, żeby tę ciężką pracę wykonywać – mówi naukowiec.

W podcaście rozmawiamy również o tym, w jaki sposób utrzymać w ryzach plazmę rozgrzaną do ponad 100 milionów stopni, czym jest owa plazma, kiedy pierwszy prawdziwy reaktor termojądrowy może pojawić się w Europie, czy przypadkiem żaden z krajów nie podkradnie technologii dla siebie, dlaczego nikt nie bałby się awarii w elektrowni termojądrowej. Polecam!

Tutaj możecie więcej przeczytać o ITER, a tutaj możecie śledzić NCBJ na Facebooku

 

TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: Dzień dobry. Cieszę się, że jesteście. To nie zakłócenia. To wibracje Słońca. Ten dźwięk został wygenerowany na podstawie danych z sondy kosmicznej SOHO. Analiza fal dźwiękowych obecnych w naszej gwieździe pozwala na badanie jej wnętrza, niedostępnego dla naszych oczu. Ale naukowcy chcą nie tylko badać Słońce. Chcą je rozpalić na Ziemi i napędzać oceanem. Wszystko po to, by ratować cywilizację. Radio Naukowe, odcinek trzeci. Zaczynamy.

K.G.: Dosłowne rozpalenie Słońca na Ziemi byłoby oczywiście kłopotliwe, natomiast jak najbardziej możemy się nim inspirować i rozpalać jego wersję mikro. Naukowcy inżynierowie intensywnie pracują nad zaprzęgnięciem do naszych celów reakcji fuzji jądrowej. Właśnie ona jest źródłem energii gwiazd. To mogłoby doprowadzić do powstania elektrowni – niezwykle efektywnych i czystych elektrowni termojądrowych. Tak dobrych, że być może już nigdy nie musielibyśmy martwić się o zaspokojenie potrzeb energetycznych, a efekt cieplarniany powodowany przez człowieka przestałby być aż tak dramatycznym problemem. Wiedziałam, że doskonałą osobą do porozmawiania na ten temat będzie przedstawiciel Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Jest to świetny polski ośrodek naukowy z siedzibą i działającym reaktorem badawczym pod Warszawą. A specjalista, którego za chwilę usłyszycie, zajmuje się m.in. zagadnieniem fuzji termojądrowej od kilkunastu lat. Posłuchacie zatem badacza, który bierze udział w przedsięwzięciu, które, nie ma co ukrywać, może wprowadzić naszą cywilizację na zupełnie nowy poziom.
***

K.G.: Doktor habilitowany Jacek Rzadkiewicz, profesor Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Dzień dobry, panie profesorze.

Jacek Rzadkiewicz: Dzień dobry.

K.G.: Reakcja termojądrowa, fuzja jądrowa, synteza jądrowa – różne nazwy, jedno zjawisko. Na czym polega? 

J.R.: Wydaje się, że o syntezie jądrowej i fuzji jądrowej możemy mówić zamiennie. Te pojęcia określają reakcje jądrowe polegające z grubsza na łączeniu się lżejszych jąder atomowych w cięższe. Najprostszym przykładem takiej reakcji jest połączenie dwóch jąder wodoru lub po prostu dwóch protonów w jądro deuteru. W wyniku takiej reakcji, fuzji mamy pewien nadmiar energii, który może zostać emitowany. Inaczej mówiąc, początkowo rozdzielone jądra wodoru stanowią substraty reakcji, syntezy, podczas gdy połączone jądro atomowe ma pewien nadmiar energii. Ten nadmiar jest emitowany, czy to w postaci pewnych kwantów energii, czy w postaci cząstek, takich jak neutrony. I w związku z tym można powiedzieć, że stanowi idealne źródło energii.

K.G.: No właśnie, to jest to, co ekscytuje w tej reakcji. To jest ta reakcja, która napędza działanie Słońca?

J.R.: Tak, dokładnie. Reakcje syntezy termojądrowej zachodzą na Słońcu. Mówiąc takim naukowym językiem, mamy tam do czynienia z tzw. cyklem protonowo-protonowym. A jest to nic innego jak po prostu pewna kombinacja tych reakcji syntezy, czyli różne kombinacje łączenia się jąder wodoru czy izotopów jąder wodoru, takich jak deuter. Tym końcowym produktem na Słońcu jest hel. W związku z tym przez to, że ta energia odbywa się z tych lekkich pierwiastków, jest energią, którą my byśmy nazwali zieloną. Energią, która nie niesie ze sobą żadnych negatywnych skutków ubocznych. A takie niestety zawsze powstają w momencie, kiedy próbujemy, czy przechwycić tę energię ze Słońca, tak jak w fotowoltaice, czy po prostu próbować ją produkować w podobny sposób jak na Słońcu.

K.G.: Bo klasyczne elektrownie jądrowe polegają na reakcji rozpadu. To byłaby ta różnica, prawda? Że chcielibyśmy wykorzystać również reakcję jądrową, ale fuzji, łączenia się. Nie mogłoby tam dojść do żadnej awarii? Bo ludzie się ciągle boją tych awarii w klasycznych elektrowniach jądrowych.

J.R.: Jeżeli jako produkcję energii w sposób ekologiczny zdefiniowalibyśmy taki rodzaj produkcji energii, która nie niesie ze sobą np. emisji dwutlenku węgla, to oczywiście klasyczne elektrownie jądrowe również spełniają ten warunek. I dlatego w tej chwili trwa bardzo ożywiona dyskusja, czy włączyć energetykę jądrową, czy nie. Wydaje się, że przynajmniej na etap przejściowy jest to konieczne dlatego, że z samego wiatru, z samej fotowoltaiki i nawet używając jako potencjalnych magazynów energii, czy tych klasycznych, czy tych związanych z produkcją wodoru, nie jesteśmy w stanie utrzymać stabilnej produkcji energii. W związku z tym potrzebujemy pewnych tzw. źródeł bazowych, które utrzymają ten poziom mocy w danym regionie czy w kraju, czy w Europie, czy na świecie. Jeżeli chcemy stopniowo lub wręcz drastycznie odchodzić od węgla…

K.G.: No właśnie, tu już nie ma czasu na stopniowe odchodzenie.

J.R.: W tej chwili są te propozycje, które być może nie są do końca realistyczne, bo wynikają raczej z pewnej agendy politycznej, no ale nie zmienia to faktu, że w tej chwili rzeczywiście ta wajcha mocno wychyliła się w stronę produkcji zielonej energii. I pewna baza produkcji energii będzie potrzebna. W związku z tym może to być albo klasyczna elektrownia jądrowa, albo w dłuższej perspektywie czasowej ten reaktor termojądrowy – nad tym w szczególności pracują naukowcy związani z fuzją termojądrową. Jeżeli chodzi o emisję CO2, to zarówno klasyczna elektrownia jądrowa, jak i reaktor termojądrowy spełniają ten warunek. Natomiast zasadniczą różnicą między nimi jest to, że w przypadku produkcji energii termojądrowej mamy znacznie mniej odpadów radioaktywnych, których również – i pewnie po części słusznie – ludzkość się boi. No bo musimy składować te odpady radioaktywne na wiele, wiele setek lat, więc rodzi to pewien problem. I to jest ta podstawowa różnica. Kolejną zaletą energetyki termojądrowej jest to, że mamy pod dostatkiem paliwa, którego należy użyć, żeby taką energię produkować. Bo głównym paliwem do produkcji energii termojądrowej w warunkach ziemskich jest deuter oraz tryt, który może być produkowany z litu.

K.G.: Deuter i tryt, czyli rodzaje wodoru, mówiąc w uproszczeniu.

J.R.: To są rodzaje wodoru, tak. Deuter to jest taki wodór, który jest wzbogacony jednym neutronem. Z kolei tryt to taki wodór, który oprócz tego, że ma w swoim jądrze atomowym proton, ma jeszcze dodatkowo dwa neutrony. Więc to są produkty tych reakcji syntezy.

K.G.: Ale skąd bralibyśmy ten wodór? Po prostu z oceanów, z wody?

J.R.: Tak, zarówno deuter, jak i lit można brać ze źródeł naturalnych, natomiast później tryt jest nieco trudniej produkować, ale wydaje się, że jesteśmy blisko pozyskania takich technologii, które pozwolą produkować go w takich ilościach, które będą wystarczające dla potrzeb reaktora termojądrowego. Kolejną zaletą, która też jest dość istotna, jest to, że taki reaktor może produkować dość dużo energii. W tej chwili, jeżeli chodzi o planowane reaktory badawcze, takie jak ITER – reaktor, który jest budowany we Francji – to one mają mieć już moc praktycznie pół gigawata. Następcą ITER-a ma być reaktor DEMO, który ma pokazać produkcję energii już na poziomie dwóch, niektórzy twierdzą, że nawet czterech gigawatów. A zatem nawet więcej niż w tej chwili największe elektrownie jądrowe. Więc to też jest na pewno zasadnicza zaleta reaktorów termojądrowych. I ostatnia zaleta jest związana z bezpieczeństwem. To znaczy, w przypadku klasycznych elektrowni jądrowych cały system bezpieczeństwa, który powoduje dość wysokie koszty, bo sama produkcja energii jądrowej nie jest droga – np. we Francji jest wiele reaktorów i ta energia jest tam bardzo tania, właściwie najtańsza w Europie. Natomiast budując reaktor, oczywiście trzeba uwzględnić wszystkie systemy bezpieczeństwa, ponieważ w przypadku rozszczepienia, czyli korzystania z uranu, musimy zapewnić takie warunki, żeby w przypadku awarii przerwać reakcję jądrową, te reakcje łańcuchowe. Jest to wyzwanie związane z bezpieczeństwem. W przypadku reaktora termojądrowego jest sytuacja odwrotna. To znaczy, musimy włożyć bardzo dużo wysiłku w to, żeby utrzymać te reakcje termojądrowe, a w szczególności, żeby utrzymać wysoką temperaturę plazmy, aby te reakcje syntezy mogły zachodzić. A zatem niejako z definicji reaktor termojądrowy jest bez porównania bezpieczniejszy od tych klasycznych reaktorów jądrowych.

K.G.: Bo jeśli dojdzie do awarii, to po prostu zakończy się ta reakcja, nic się nie będzie działo. Wygaśnie, przygaśnie?

J.R.: Tak. Awaria powoduje tyle, że po prostu nie ma produkcji energii. Natomiast nie ma żadnych wycieków radioaktywnych, nie ma żadnego skażenia środowiska. To jest ta zdecydowana przewaga nad klasycznymi reaktorami jądrowymi. Chociaż w tym miejscu należy podkreślić, że technologie jądrowe też idą bardzo mocno do przodu i w tej chwili te systemy bezpieczeństwa, które są, w praktyce wykluczają możliwość awarii, poza jakimiś bardzo ekstremalnymi przypadkami, np. takim, który miał miejsce w Japonii w Fukushimie.

K.G.: Cieszę się, że pan podkreśla – i ja też chciałabym się do tego dołączyć – że często te obawy dotyczące klasycznych elektrowni jądrowych są na wyrost spowodowane tym, co się wydarzyło lata temu w Czarnobylu, co również zostało podkręcone przez popkulturę i funkcjonuje w naszej świadomości, a rzeczywistość wygląda o wiele mniej niebezpiecznie. Chciałam jeszcze dopytać trochę o efektywność. Bo mówi się w kontekście fuzji termojądrowej, tych potencjalnych elektrowni, że to po prostu może zmienić wszystko, że to będzie taki game changer, że jak już uda się to osiągnąć, to w zasadzie będziemy mogli wyciągnąć nogi do przodu na kanapie i odetchnąć, że nie będziemy mieli efektu cieplarnianego, że będziemy mieli zapewnione dostawy energii, mimo że te nasze cywilizacyjne potrzeby ciągle rosną. Czy to faktycznie jest tak, że jak już to ogarniemy, nauczymy się wykorzystywać te reakcje, to nasze problemy z zapotrzebowaniem energetycznym się skończą?

J.R.: Może warto zacząć od tego, w jakim punkcie jesteśmy teraz. W tej chwili największy tokamak, czyli taki badawczy reaktor termojądrowy, działa w Culham – to jest niedaleko Oksfordu w Wielkiej Brytanii. Miałem tam przyjemność przez okres prawie czterech lat pracować i zajmować się jedną z diagnostyk do badań plazm wysokotemperaturowej. To jest tokamak, który w tej chwili ma najlepsze osiągi, jeżeli chodzi o produkcję energii – jest to szesnaście megawatów. Warto tu również dodać, że te szesnaście megawatów są na razie uzyskiwane bardzo wysokim kosztem dlatego, że utrzymanie plazmy, zapewnienie odpowiedniej temperatury „kosztuje nas” około dwudziestu czy nawet ponad dwadzieścia megawatów. A zatem technologia potrafi niejako odzyskiwać siedemdziesiąt procent energii, którą wkładamy w taki tokamak. Równowaga pomiędzy tą energią, którą chcemy włożyć w plazmę tokamakową, i tą, którą chcemy niejako później odzyskać, określa się parametrem Q. To jest współczynnik tego, ile zyskamy w stosunku do tego, co włożyliśmy.

K.G.: Czyli na razie jesteśmy na minusie.

J.R.: Tak. Jeżeli to Q jest większe od jedynki, a tą wartością graniczną jest jeden, to znaczy, że nastąpi ten game changer energetyki. W tej chwili jeden z największych programów badawczych w Europie związany z budową i z użytkowaniem ITER-a, który w swoim budżecie ma klika miliardów euro – jest to program porównywalny jedynie z wielkimi programami kosmicznymi – ma zapewnić to Q powyżej jedynki, i to znacznie powyżej jedynki, czyli między pięć a dziesięć. A zatem chcemy odzyskiwać co najmniej pięciokrotnie więcej energii, niż będziemy wkładali. Jeżeli to się uda, to będzie to kamień milowy i będziemy mogli powiedzieć, że jesteśmy blisko tego momentu, kiedy ten kawałek Słońca na Ziemię będziemy mogli przynieść.

K.G.: Ale poważnie? To naprawdę spowoduje, że nie będziemy musieli się już przejmować dostawami energii? To jest taka różnica jakościowa?

J.R.: To jest zasadnicza różnica jakościowa, ale oczywiście trzeba pamiętać, że dojście do tej technologii wymaga ciągle rozwoju.

K.G.: Tak, zaraz zapytam pana o te wszystkie trudności, tylko chciałabym, żeby pan nam trochę wyobraźnię podkręcił, dodał trochę optymizmu w tych czasach.

J.R.: Gdyby było tak, że naukowcy nie wierzyliby w taki scenariusz, to nie przeznaczyliby tak ogromnych pieniędzy na ten program. W związku z tym wydaje się, że rzeczywiście jest dobrze naszkicowana mapa drogowa dojścia do tego, żebyśmy to Q mieli znacznie powyżej jedynki. W przypadku następcy ITER-a, czyli reaktora, który ma produkować od dwóch do czterech gigawatów energii, mówi się o tym Q, że ma być dwadzieścia pięć. I jest to realny plan badań. Natomiast jak w przypadku każdych badań istnieje pewne ryzyko – i to ryzyko jest na wielu polach. Te technologie mogą wymagać czasu i odpowiednich środków finansowych, żeby rzeczywiście zbudować ten reaktor termojądrowy i żeby on mógł być bazą energetyki dla Europy czy dla świata.

K.G.: A czy ten reaktor termojądrowy będzie mógł sam siebie zasilać? Jeśli już będzie np. to Q w granicach dwudziestu pięciu, to skąd wziąć tę pierwszą energię, która go będzie rozpędzać, rozgrzewać? Czy on sam siebie będzie mógł nakręcać? Troszeczkę takie perpetuum mobile.

J.R.: Jeżeli będziemy już przy Q równym dziesięć, to myślę, że wtedy rzeczywiście można sobie wyobrazić, że ta energia będzie na tyle dostępna, że nie będzie już problemu z tym, żeby pozyskać ją do samouruchomienia. Więc wydaje się, że ten problem technologiczny jest jednym z mniej poważnych, chociaż oczywiście kwestie związane z tą ogromną mocą grzania, którą też trzeba będzie dostarczyć, szczególnie w początkowej fazie, to są wyzwania technologiczne. I tu słusznie pani zauważa, że to też wymaga nowych technologii, które w tej chwili jeszcze nie zostały przebadane. One dopiero zaczną być testowane i weryfikowane w reaktorze badawczym ITER.

K.G.: No właśnie, bo mówimy sobie tak dość lekko – rozpalimy Słońce na Ziemi. A to jest rzecz, która wymaga i możliwości technologicznych, i fizycy nad tym pracują, i inżynierowie. Ale domyślam się, że także materiałoznawcy, bo tutaj trzeba to wszystko jakoś utrzymać w ryzach, żeby to działało. Jakie są te trudności technologiczne? Jak zmusić cząstki do tego, żeby się ze sobą zeszły? Bo to jest to, co trzeba wykonać. Jak doprowadzić do tej fuzji?

J.R.: Należy tu pewnie wyjść od tego, że trzeba, mówiąc nieco w przenośni, popatrzeć na Słońce. Można zachwycić się – jak niektórzy wierzą – dziełem stworzenia, jak niektórzy myślą – pięknem natury. Bo rzeczywiście, proszę zwrócić uwagę, że energia, która powstaje na Słońcu i którą w warunkach ziemskich nazywamy zieloną i bardzo ekologiczną, pierwotnie powstaje właśnie z reakcji jądrowych, z reakcji syntezy jądrowej. Ale ważna jest jeszcze jedna rzecz – ta energia jest dostarczana do Ziemi niezwykle stacjonarnie, w sposób zrównoważony. Nie ma takiej sytuacji, że nasza gwiazda wybucha albo że fluktuuje i raz mamy za mało tej energii, a innym razem za dużo. Patrząc w kierunku Słońca, naukowcy uznali, że być może to jest dobry pomysł na to, żebyśmy spróbowali zapewnić na Ziemi te same warunki stacjonarne dla plazmy. Jest to znacznie trudniejsze niż np. spowodowanie wybuchu. Zbudowanie bomby termojądrowej zajęło ludzkości znacznie mniej czasu niż rozwój energetyki termojądrowej właśnie ze względu na tę stabilność. W przypadku wybuchu nikt się nie przejmuje drobnymi fluktuacjami i niestabilnościami. Wręcz przeciwnie, ponieważ jest to siła niszczycielska, znacznie łatwiej było opanować tę technologię, jeżeli chodzi o bomby termojądrowe. Oczywiście miejmy nadzieję, że nigdy taka bomba nie zostanie użyta, bo jej siła jest większa nawet od bomb jądrowych, uranowych. Wracając do problemów technologicznych, jeżeli chodzi o rozwój energetyki termojądrowej, można je podzielić na kilka klas. Pierwszym podstawowym problemem jest zapewnienie odpowiedniej temperatury plazmy. Jest to temperatura około stu milionów stopni. Plazma jest, najprościej mówiąc, gorącą, zjonizowaną materią. Jeżeli ktoś chciałby w szybki i prosty sposób zobaczyć plazmę, to wystarczy popatrzeć na Słońce, oczywiście najlepiej przez odpowiednie okulary. Słońce to jest właśnie plazma. Jeżeli na nie popatrzymy, to widzimy plazmę, czyli gorący, zjonizowany gaz, przede wszystkim wodoru i helu. Natomiast w przypadku tokamaków oprócz tego pojawiają się jeszcze jakieś inne, najczęściej metaliczne zanieczyszczenia, które też przy okazji stanowią problem technologiczny. Chodzi o to, żeby jak najmniej zanieczyszczeń dostawało się w te struktury plazmowe. Zapewnienie w warunkach ziemskich, że coś ma sto milionów stopni i jest stabilne, jest rzeczą bardzo trudną. I samo uzyskanie takiej temperatury, i zapewnienie tego, że będzie ona utrzymywana przez godziny, jeżeli mówimy o reaktorze energetycznym.

K.G.: To chyba byłoby naprawdę duże pobicie rekordu w tym, co się współcześnie uzyskuje.

J.R.: Tak. Warto popatrzeć, gdzie jesteśmy. W tej chwili, jeżeli chodzi o reaktor JET, jesteśmy na poziomie między dwadzieścia a czterdzieści sekund. Tyle czasu potrafimy w tej chwili utrzymać odpowiednią temperaturę, czyli około stu milionów stopni w objętości około osiemdziesięciu metrów sześciennych.

K.G.: Reaktor JET to również badawczy tokamak.

J.R.: Tak, to jest ten tokamak, o którym mówiliśmy, który pracuje niedaleko Oksfordu w Wielkiej Brytanii. I następcą tego tokamaka będzie właśnie ITER. Na ITER-ze ten czas powinien wydłużyć się co najmniej do kilku godzin, żeby pokazać tę dojrzałość technologiczną – taki jest plan. Więc to jest jedno wyzwanie.

K.G.: Chodzi mi też o to, że te sto milionów stopni to jest, jak sądzę, dużo więcej niż jest nam potrzebne w jakichkolwiek innych technologiach.

J.R.: Tak, to jest dużo więcej. Taka temperatura jest oczywiście szokująca, natomiast tu trzeba dodać, że w osiemdziesięciu metrach sześciennych tej plazmy krąży bardzo niewiele, to są rzędy miligramów. I tutaj jest klucz, który nam podpowiada, dlaczego taka temperatura jest możliwa. Z tych miligramów materii potrafimy produkować taką energię, dlatego to jest tak niezwykłe i dlatego tak wielu naukowców na świecie zdecydowało się zajmować tym tematem. Jest to pierwszy obszar technologiczny, który jest do rozwiązania. Drugim takim obszarem, który musi być rozwiązany, są oczywiście wszelkie kwestie konstrukcyjne, wszelkie kwestie materiałowe. Wynika to z tego, że jeżeli już mamy tę plazmę o odpowiedniej temperaturze, potrafimy ją utrzymać, to w którymś momencie musimy mieć pewne materiały, które przede wszystkim będą odporne na pewne niestabilności tej plazmy. I oczywiście gdyby taka plazma o temperaturze stu milionów dotknęła ścianki reaktora, to momentalnie by ją spaliła, w związku z tym jest ona trzymana polem magnetycznym. Niemniej jednak, od czasu do czasu mogą pojawić się pewne niestabilności cząstek. Czy to będą elektrony ucieczki, czy to będą silne strumienie neutronów, musimy umieć odebrać energię z tych cząstek po to, żeby później przetwarzać to na energię. Więc drugim wyzwaniem są te wyzwania konstrukcyjne, materiałowe.

K.G.: Czyli ta plazma ma niczego nie dotykać, jakby lewitować?

J.R.: Dokładnie. To znaczy, ta plazma jest utrzymywana w taki sposób, że ona nie dotyka ścianek. Można sobie wyobrazić, że ona krąży dookoła w takim obwarzanku i oczywiście nie może dotykać ścianki, musi być dobrze odseparowana tym polem magnetycznym od ścian tokamaka. Każda z tych klas technologicznych wyzwań to jest mnóstwo podkategorii, o których moglibyśmy tutaj mówić w nieskończoność, ale staram się je pogrupować, żeby państwo mieli pewien pogląd na to, jakie te główne wyzwania technologiczne są przed naukowcami fuzyjnymi. Trzeci obszar jest związany bardziej z fizyką jądrową. Będzie produkowany tryt, zresztą podobnie jak wodór, przy czym tryt jest radioaktywny, więc nie jest to taki problem jak w przypadku tych ciężkich odpadów radioaktywnych, no ale mimo wszystko stanowi pewne zagrożenie i dodatkowo pewną jego trudnością jest to, że on bardzo łatwo się uwalnia. W związku z tym trzeba zapewnić odpowiednią szczelność takiego reaktora i doprowadzić do sytuacji, że nauczymy się w sposób bezpieczny pracować z tym trytem. Więc jest to wyzwanie. Wyzwaniem z trytem jest również to, że musimy nauczyć się produkować go w sposób efektywny. Na razie w warunkach laboratoryjnych na tym wspomnianym JET-cie w Wielkiej Brytanii potrafimy to robić w śladowych ilościach, natomiast w przypadku reaktora ta produkcja musiałaby być znacznie bardziej intensywna. Więc wymaga to rozwoju technologii. Przy okazji warto też powiedzieć, że innym takim wymogiem technologicznym jest utrzymanie tych cząstek, które są produkowane w wyniku reakcji fuzji, cząstek alfa, ponieważ mają one taką chęć uciekania z plazmy. A chodzi o to, żeby ta plazma po początkowym podgrzaniu sama się grzała w wyniku reakcji termojądrowych. I właśnie te cząstki alfa, czyli coś, co na Słońcu uznalibyśmy za wypalone paliwo, w przypadku tokamaka chcemy wykorzystać do tego, żeby dogrzewały tę plazmę i żeby ona sama się utrzymywała i sama się grzała, abyśmy już nie musieli zużywać dodatkowej energii na grzanie.

K.G.: A jak dużo trzeba by paliwa?

J.R.: Jak ktoś wyliczył, wody mamy praktycznie nieskończone zasoby, chociaż oczywiście też należy ją szanować, ale wydaje się, że przez to, że deuter występuje w sposób naturalny chyba raz na sześć tysięcy cząstek wody, te źródła w kontekście produkcji energii są nieograniczone. Te miligramowe czy gramowe masy plazmowe są w stanie produkować ogromne ilości energii, więc w żadnym stopniu nie stanowi to ograniczeń.

K.G.: Wymienił pan kilka klas trudności technologicznych, to zapytam jako niecierpliwa przedstawicielka społeczeństwa, jak wam idzie?

J.R.: To jest pytanie, na które nie czuję się na siłach odpowiedzieć we wszystkich tych obszarach. Mogę powiedzieć tyle: progres w badaniach fuzji, jaki obserwuję, a obserwuję już od jakiegoś czasu, od kilkunastu lat, jest ogromny. Jeżeli chodzi o badania materiałowe, nastąpił ogromny progres, m.in. udało się na tokamaku JET wybudować ścianki z berylu. Coś, co wydawało się kiedyś science fiction, w tej chwili udało się osiągnąć już w warunkach laboratoryjnych. Jeżeli chodzi o osiągi plazmy, udało się osiągnąć szesnaście megawatów – i to jest siedemdziesiąt procent tego, co wkładamy. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu to też wydawało się science fiction, wydawało się, że Q na poziomie jednej dziesiątej, jednej setnej, to już były ogromne osiągnięcia. W tej chwili jesteśmy na poziomie bliskim jedynki. Więc w tym sensie ten progres jest. Kolejnym takim kamieniem milowym jest oczywiście budowa reaktora badawczego ITER. Jeżeli udałoby się osiągnąć to Q, czyli współczynnik tego, ile jesteśmy w stanie wyjąć energii w stosunku do tego, co wkładamy na poziomie pięciu, dziesięciu, to wydaje się, że rzeczywiście to byłby przełom technologiczny. I to jest perspektywa dziesięciu, piętnastu lat, czyli mamy nadzieję, że to będzie się działo na naszych oczach.

K.G.: Dziesięciu, piętnastu lat, kiedy…?

J.R.: To jest termin, kiedy możemy liczyć na to, że zostanie potwierdzona technologia tego, że potrafimy w tym dużym reaktorze ITER odzyskiwać więcej energii, niż zużywać na jej grzanie. To może się wydawać dość długo, ale proszę pamiętać, że mówimy o takiej technologii, która ma w niewielkim fragmencie odtwarzać coś, co na Słońcu dzieje się w sposób naturalny. Tam ogromna grawitacja zapewnia stabilność. Tutaj musimy krok po kroku bardzo ciężko pracować, żeby odtworzyć warunki w tej efektywnej ekonomicznie skali.

K.G.: No to ja mam taką wizję: 2050 rok i w każdym większym kraju Europy jest po jednej elektrowni termojądrowej. Jest to możliwe? Może wystarczy jedna taka elektrownia na Europę? Jakby pan to widział?

J.R.: Pani nagrywa tę audycję i jak ktoś będzie słuchał w 2050 roku, to już nawet nie będzie mógł mnie złapać za słówko, ale powiedziałbym tak: jeżeli ITER pokaże Q między pięć a dziesięć, to uznam, że budowa tego reaktora DEMO o mocy dwa gigawaty jest realna i że w 2050 roku będziemy mieli w Europie czy gdziekolwiek indziej na świecie jeden, a być może więcej takich reaktorów.

K.G.: Bo oczywiście to nie tylko ITER, chociaż ITER też jest tworzony przez międzynarodowe konsorcjum. Niech pan trochę zdradzi, w jaki sposób tworzy się tak duże inwestycje badawcze i jak polscy badacze i pan jesteście w to zaangażowani.

J.R.: Projekt ITER jest czymś wyjątkowym, czego właściwie chyba nigdy wcześniej, jeżeli chodzi o badania fuzyjne, nie było. Jest to połączenie nie tylko badań wszystkich naukowców europejskich, ale dołączyli do tego projektu także Amerykanie, Chińczycy, Rosjanie, przedstawiciele Indii i Korei. Co warto podkreślić, każdy z tych krajów buduje u siebie tokamaki, rozwija swoje technologie, więc pomysł jest taki, żeby połączyć te siły. W przeszłości było to praktycznie niemożliwe, bo to były raczej programy narodowe, a tutaj jest to program międzynarodowy i dzięki temu nawzajem naukowcy próbują korzystać ze swoich doświadczeń. Jeżeli chodzi o rolę polskich naukowców, to myślę, że warto podkreślić, że bardzo zwiększyliśmy udział w tych badaniach, wchodząc do Unii Europejskiej. Praktycznie poza Instytutem Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy na Bemowie w Warszawie nie było instytutów, które zajmowałyby się plazmą tokamakową. W tej chwili konsorcjum, które realizuje takie badania w Polsce, zrzesza już kilkanaście uczelni i instytutów badawczych. Udział w tych programach horyzontowych zwiększa się z roku na rok i warto też podkreślić, że korzystamy ze środków ogólnodostępnych na badania i tam ten współczynnik sukcesu jest dla naukowców z Polski zdecydowanie wyższy niż średnia dla wszystkich innych dziedzin, jeżeli chodzi o programy horyzontowe. Miejmy nadzieję, że ten wkład będzie rósł. Jako taki przykład ciekawych technologii, które rozwijają się w Polsce, podam to, że uczestniczyliśmy ostatnio w bardzo ciekawych badaniach związanych z budową wysokorozdzielczej diagnostyki rentgenowskiej na tym reaktorze badawczym JET. Jest to taka diagnostyka, której zadaniem jest mierzenie trzech kluczowych parametrów plazmy. Jeden z tych parametrów to temperatura jonowa – absolutnie kluczowy parametr dla całej technologii badań fuzyjnych. W takiej szerokiej współpracy – czyli wspomniany Instytut Plazmy z Warszawy, Uniwersytet Warszawski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, które reprezentuję – udało nam się tę diagnostykę zbudować właściwie tylko polskimi siłami. Jest to o tyle ciekawe, że nasz zachodni sąsiad jest potęgą technologiczną i najczęściej uczymy się tych technologii właśnie od niego, a w tym przypadku było tak, że instytuty niemieckie nie poradziły sobie z tą diagnostyką. W związku z tym później już nikt nie chciał się za bardzo zabierać za jej budowę. Nam się udało i oczywiście jesteśmy z tego bardzo dumni. Teraz m.in. z kolegami z Niemiec prowadzimy intensywne badania na podstawie tej diagnostyki. To jest tylko przykład tego, co robimy. Uczestniczyliśmy też w budowie diagnostyki gamma, diagnostyk neutronowych. Bardzo mocno zaangażowaliśmy się też w badania związane z testowaniem materiałów, jest m.in. taki projekt, który jest trochę niezależny od tokamaków. Jest to urządzenie, które będzie testowało właśnie te materiały jądrowe pod kątem odporności pracy w reaktorach termojądrowych.

K.G.: Gratuluję sukcesu, ale chciałam dopytać, czy to jest realne, żebyśmy naprawdę jako ludzkość się dogadali w sprawie tej technologii? Bo przyznam, że brzmi to dość utopijnie. A może nie ma innej możliwości? Może to jest tak drogie, że po prostu musimy się zrzucić na to wszyscy – Europejczycy, Amerykanie, Chińczycy?

J.R.: Jeżeli chodzi o kwestie technologiczne, to oczywiście, że jest tak, że później na bazie tego programu powstają różnego rodzaju patenty, rozwiązania technologiczne.

K.G.: No właśnie. Czy ktoś jednak tego nie weźmie dla siebie?

J.R.: To jest troszeczkę tak jak w przypadku takich dużych programów związanych z wysyłaniem jakichś satelitów badawczych. Jeżeli uznajemy, że jako ludzkość, jako przyszłe pokolenia…

K.G.: Ale to jednak nie jest to samo – z całym szacunkiem dla satelitów. Ja wiem, jak wiele wniosły dla cywilizacji technologie kosmiczne, niejako przy okazji, ale tak się wydarzyło. Ale dostęp do w zasadzie nieograniczonej energii? Przecież gdyby któreś państwo to opanowało, np. takie Chiny, które idą do przodu z wieloma rzeczami, to byliby na absolutnie wygranej pozycji. I trudno mi sobie wyobrazić, że nie ma takiej pokusy.

J.R.: Myślę, że pokusy są zawsze. Dlatego należy również zabezpieczać swoje prawa w badaniach. Wydaje się, że coraz bardziej do tego dojrzewamy – mówię o polskich doświadczeniach. To znaczy, są znane takie przypadki, że mieliśmy pewien potencjał technologiczny i sprzedawaliśmy go za bezcen, bo nie było odpowiednich zabezpieczeń prawnych. Nikt się nie zastanawiał, z jakimi to korzyściami się wiąże, chociaż oczywiście zdaję sobie też sprawę z tego, że żeby mieć korzyści, trzeba inwestować. W związku z tym jako polscy naukowcy jesteśmy na nieco słabszej pozycji, bo wiadomo, że jednak ten zachodni czy amerykański przemysł jest znacznie silniejszy i może sobie pozwolić na znacznie większe inwestycje. Jeżeli następuje rozwój technologiczny, to w którymś momencie gdzieś musi nastąpić to porozumienie między biznesem i drapieżnymi korporacjami a tym, żeby jednak tę technologię wdrożyć. Jeżeli programy są w tej chwili finansowane z funduszy europejskich czy funduszy krajowych, to stanowią wartość nauki. Natomiast później pewne specyficzne rozwiązania mogą już być dostarczane przez bardzo konkretne firmy. Wydaje się, że ponieważ jest to tak ogromna skala, to raczej nie będzie tak, że całą technologię będzie w stanie przejąć jedna firma czy jedna korporacja. Ja tak sobie to wyobrażam, ale oczywiście bardzo słusznie pani zauważyła, że na tego typu kwestie, czyli kwestie ochrony praw własności intelektualnej, trzeba zwracać od początku uwagę.

K.G.: A wracając z tych terenów politycznych na tereny stricte naukowe, jeśli to się naprawdę uda, to będzie to gigantyczny sukces naukowo-technologiczny. Pan się tym zajmuje już od wielu lat, ale czy jeszcze to pana jakoś wzrusza? Czy dreszcz emocji przebiega czasami, kiedy pan wie, że bierze udział w czymś być może tak przełomowym?

J.R.: Zawsze powtarzam swoim dzieciom coś takiego, że z fizyką jest trochę tak jak z wędrówką w górach. Zakładamy ciężki plecak, idziemy, jest ciężko, ciężko się oddycha, człowiek się poci, jest mu czasem mniej przyjemnie, czasem jest głodny, chce mu się pić, nogi go bolą, ale przyjemność czeka na końcu. To znaczy, piękny widok, który można z tego szczytu góry zobaczyć. Z fizyką jest trochę podobnie i myślę, że to wzrusza. I to daje siłę do tego, żeby tę ciężką pracę na co dzień wykonywać.

K.G.: Profesor Jacek Rzadkiewicz, Narodowe Centrum Badań Jądrowych. Bardzo panu dziękuję.

J.R.: Dziękuję ślicznie.