![\"ORCID](\"http:\/\/gwits.pl\/wp-content\/uploads\/2025\/03\/ORCID.png\")
<\/a> 1*<\/sup><\/em><\/p>\n\n\n\nAfiliacja<\/summary>\n1<\/sup> Pa\u0144stwowa Akademia Nauk Stosowanych Im. Ignacego Mo\u015bcickiego w Ciechanowie, Wydzia\u0142 In\u017cynierii i Ekonomii,
* Kontakt \/ Correspondence: wojciech.kramarek@pansim.edu.pl<\/a><\/p>\n\n\n\n<\/p>\n<\/details>\n\n\n\n
DOI: 10.65545\/GWITS.2026.01.06<\/strong>, GWiTS 1\/2026, stycze\u0144 2026<\/p>\n\n\n\nPobierz PDF<\/a> (Open Access)<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\nStreszczenie:<\/strong>
Pierwszy na \u015bwiecie reaktor j\u0105drowy, o znikomej mocy, zwany \u201estosem atomowym,\u201d w kt\u00f3rym uzyskano kontrolowan\u0105 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105 uruchomiono w grudniu 1942 roku na uniwersytecie w Chicago. Kierownikiem projektu by\u0142 fizyk Enrico Fermi. Pierwsz\u0105 na \u015bwiecie instalacj\u0119 do wytwarzania energii elektrycznej ze \u017ar\u00f3d\u0142em ciep\u0142a w postaci reaktora j\u0105drowego uruchomiono w 1951 r. w Stanach Zjednoczonych. Powstanie bomby wodorowej w 1952 r. rozpocz\u0119\u0142o prace nad wykorzystaniem energii termonuklearnejReaktor termonuklearny, fuzyjny to reaktor j\u0105drowy realizuj\u0105cy kontrolowan\u0105 syntez\u0119 termoj\u0105drow\u0105 lekkich j\u0105der wodoru (deuteru i trytu) w wyniku kt\u00f3rej powstaje j\u0105dro helu, wolny neutron i uwalnia si\u0119 du\u017ca ilo\u015b\u0107 energii. Do poprawnego dzia\u0142ania reaktora potrzebne jest wytworzenie bardzo wysokiej temperatury powoduj\u0105cej powstanie plazmy czyli mieszaniny zjonizowanych atom\u00f3w deuteru i trytu. Potrzebne s\u0105 tak\u017ce pot\u0119\u017cne elektromagnesy maj\u0105ce na celu utrzymanie plazmy z dala od \u015bcian reaktora. Do tej pory nie uda\u0142o si\u0119 skonstruowa\u0107 reaktora fuzyjnego dzia\u0142aj\u0105cego efektywnie, tj. daj\u0105cego zysk energii i dzia\u0142aj\u0105cego w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y.Obecnie trwaj\u0105ce projekty reaktor\u00f3w termonuklearnych to m.in. ITER (Mi\u0119dzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny) we Francji i EAST (ang. The Experimental Advanced Superconducting Tokamak) w Chinach.<\/p>\n\n\n\nS\u0142owa kluczowe:<\/strong> energetyka j\u0105drowa, bomba atomowa, bomba wodorowa, reaktor nuklearny, reaktor j\u0105drowy, reaktor fuzyjny, bezpiecze\u0144stwo, systemy bezpiecze\u0144stwa pasywne i aktywne, normowanie europejskie i \u015bwiatow<\/em><\/p>\n\n\n\nAbstract:<\/strong>
The world\u2019s first low-power nuclear reactor, called an \u201eatomic pile,\u201d in which a controlled chain reaction was achieved, was launched in December 1942 at the University of Chicago. Manager of project was Enrico Fermi, famous physicist. The world\u2019s first electricity-generating installation with a nuclear reactor as a heat source was launched in 1951 in the United States. The development of the hydrogen bomb in 1952 initiated work on the use of thermonuclear energy. A thermonuclear fusion reactor is a nuclear reactor that carries out controlled thermonuclear fusion of light hydrogen nuclei (deuterium and tritium), resulting in the formation of a helium nucleus, a free neutron and the release of a large amount of energy. For the reactor to function properly, it is necessary to generate a very high temperature that causes the formation of plasma, i.e. a mixture of ionized deuterium and tritium atoms. Powerful electromagnets are also needed to keep the plasma away from the reactor walls. To date, it has not been possible to construct a fusion reactor that operates efficiently, i.e. produces energy gains and operates continuously. Current thermonuclear reactor projects, among others, include ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in France and EAST (The Experimental Advanced Superconducting Tokamak) in China.<\/p>\n\n\n\nKeywords: <\/strong>nuclear energy, atomic bomb, hydrogen bomb, nuclear reactor, fusion reactor, safety, active and passive safety systems, european and world normatives<\/em><\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n1. Wprowadzenie w energetyk\u0119 j\u0105drow\u0105<\/h3>\n\n\n\n
W 1938 roku fizycy niemieccy Otto Hahn i Fritz Strassmann przeprowadzili pierwsz\u0105 na \u015bwiecie reakcj\u0119 rozszczepienia j\u0105dra atomu. W lutym 1939 roku Hahn i Strassmann przewidzieli wyzwolenie dodatkowych neutron\u00f3w w czasie rozpadu atomowego czyli powstanie reakcji \u0142a\u0144cuchowej. Reakcja \u0142a\u0144cuchowa zosta\u0142a udowodniona przez Fr\u00e9d\u00e9rica Joliot i jego wsp\u00f3\u0142pracownik\u00f3w w marcu 1939 roku.<\/p>\n\n\n\n
W 1933 r. emigrant w\u0119gierski fizyk Leo Szil\u00e1rd, wpad\u0142 na pomys\u0142 j\u0105drowej reakcji \u0142a\u0144cuchowej jako sposobu na jednoczesne uwolnienie i wykorzystanie energii zawartej w atomach. Kilka lat p\u00f3\u017aniej austriacka naukowiec Lise Meitner i jej siostrzeniec, fizyk Otto Frisch, zauwa\u017cyli \u017ce atom uranu bombardowany neutronami podzieli si\u0119 na dwie cz\u0119\u015bci. Naukowcy wywnioskowali, \u017ce w ten spos\u00f3b mo\u017cna wywo\u0142a\u0107 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105, kt\u00f3ra wyemituje ogromn\u0105 ilo\u015b\u0107 energii.
Wraz z post\u0119pem bada\u0144 atomowych ros\u0142y w obozie aliant\u00f3w obawy dotycz\u0105ce programu nazistowskich Niemiec, kt\u00f3ry m\u00f3g\u0142by wykorzysta\u0107 energi\u0119 atomu do opracowania broni o ogromnej sile ra\u017cenia. 2 sierpnia 1939 r. Einstein po rozmowie z Szilardem podpisa\u0142 list skierowany do prezydenta USA Franklina D. Roosevelta, ostrzegaj\u0105c go przed militarnymi zastosowaniami nowego \u017ar\u00f3d\u0142a energii i potencjalnym projektem budowy broni j\u0105drowej w nazistowskich Niemczech. Bior\u0105c pod uwag\u0119 ostrze\u017cenie prezydent Franklin Delano Roosevelt podj\u0105\u0142 decyzj\u0119 o uruchomieniu w 1942 r. programu Manhattan nosz\u0105cego oficjaln\u0105 nazw\u0119 Manhattan Engineering District. By\u0142 to ameryka\u0144ski rz\u0105dowy, tajny program badawczy, kt\u00f3rego celem by\u0142o uzyskanie energii j\u0105drowej i wykorzystanie jej do produkcji nowego typu broni czyli bomby atomowej.<\/p>\n\n\n\n
Konstrukcj\u0119 bomby opracowano w Los Alamos National Laboratory pod kierunkiem dyrektora naukowego projektu, wybitnego fizyka Roberta Oppenheimera. Bomba atomowa to bro\u0144 masowego ra\u017cenia, kt\u00f3ra wykorzystuje kontrolowan\u0105 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105 rozszczepienia ci\u0119\u017ckich j\u0105der atomowych, takich jak uran-235 lub pluton-239. Neutron uderzaj\u0105c w j\u0105dro uranu U-235 powoduje jego rozpad. Rozszczepiany atom emituje neutrony, kt\u00f3re powoduj\u0105 rozpad nast\u0119pnych j\u0105der atomowych. Rozerwanie pojedynczego atomu nie daje du\u017co energii. Z ka\u017cdego rozerwania, z ka\u017cdego rozszczepienia, b\u0119dzie jej ma\u0142o, ale w sumie przy olbrzymiej ilo\u015bci atom\u00f3w bior\u0105cych udzia\u0142 w rozpadzie, uzyskamy olbrzymi\u0105 ilo\u015b\u0107 energii.
Program mia\u0142 te\u017c swoj\u0105 cz\u0119\u015b\u0107 zmierzaj\u0105c\u0105 do opracowania sposob\u00f3w niedestrukcyjnego u\u017cycia energii atomowej, dzi\u0119ki czemu opracowano konstrukcje i wyprodukowano pierwszy reaktor j\u0105drowy. Wykorzystywa\u0142 on (podobnie jak obecnie dzia\u0142aj\u0105ce reaktory) reakcje rozszczepienia j\u0105der atomowych. Pierwszy reaktor (uranowo-grafitowy), Chicago Pile no. 1 (\u201eStos chicagowski nr 1\u201d, CP-1) o ma\u0142ej mocy zbudowany zosta\u0142 na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem w\u0142oskiego uczonego Enrica Fermiego. Pierwsza kontrolowana reakcja \u0142a\u0144cuchowa zosta\u0142a w nim zapocz\u0105tkowana 2 grudnia 1942.
16 lipca 1945 r. przeprowadzono pierwszy w historii testowy wybuch bomby atomowej (\u201eGad\u017cet\u201d \/ \u201eTrinity\u201d) w stanie Nowy Meksyk, a nied\u0142ugo potem zrzucono dwie bomby na japo\u0144skie miasta Hiroszim\u0119 i Nagasaki, co przyspieszy\u0142o zako\u0144czenie wojny.<\/p>\n\n\n\n
W czasie pracy nad projektem pojawi\u0142 si\u0119 w pomys\u0142 opracowania bomby wodorowej, czyli broni o jeszcze wi\u0119kszej sile ra\u017cenia ni\u017c bomba atomowa. Bomba mia\u0142a wykorzysta\u0107 zjawisko fuzji nuklearnej. W czasie tej reakcji izotopy wodoru (najcz\u0119\u015bciej j deuter i tryt) \u0142\u0105cz\u0105 si\u0119 pod wp\u0142ywem bardzo wysokiej temperatury, tworz\u0105c hel w procesie fuzji nuklearnej. Przy tej reakcji powstaje niekontrolowana i samopodtrzymuj\u0105ca si\u0119 reakcja \u0142a\u0144cuchowa, kt\u00f3rej towarzyszy wyzwolenie olbrzymiej ilo\u015bci energii.<\/p>\n\n\n\n
Nad tym projektem, wtedy nazwanym \u201eSuper\u201d, pracowa\u0142 znany fizyk, emigrant w\u0119gierski Edward Teller, kt\u00f3ry w trakcie ostatnich kilkunastu miesi\u0119cy istnienia Projektu Manhattan zajmowa\u0142 si\u0119 tylko i wy\u0142\u0105cznie tym tematem.
Po zako\u0144czeniu II wojny \u015bwiatowej wydawa\u0142o si\u0119 , \u017ce nie b\u0119dzie potrzeby zbudowania bomby wodorowej. Dopiero pierwszy udany test broni j\u0105drowej w wykonaniu Rosjan, w 1949 r., przekona\u0142 Amerykan\u00f3w, i\u017c istnieje potrzeba doko\u0144czenia tego projektu. Problem polega\u0142 na tym, \u017ce Teller oraz inni fizycy nie potrafili zaprojektowa\u0107 tego typu uzbrojenia. Prze\u0142omem okaza\u0142y si\u0119 dopiero rozwi\u0105zania polskiego matematyka, pracuj\u0105cego w USA wsp\u00f3\u0142pracownika Tellera, Stanis\u0142awa Ulama, dzi\u0119ki czemu ostatecznie uda\u0142o si\u0119 stworzy\u0107 t\u0105 bro\u0144.
Ulam wpad\u0142 na pomys\u0142, aby ukierunkowa\u0107 fal\u0119 uderzeniow\u0105 mechanicznego wybuchu j\u0105drowego w celu skompresowania paliwa fuzyjnego. Zalety tego rozwi\u0105zania szybko dostrzeg\u0142 Teller, a nied\u0142ugo p\u00f3\u017aniej wykorzysta\u0142 je do zbudowania dzia\u0142aj\u0105cego \u0142adunku termoj\u0105drowego, kt\u00f3ry dzi\u015b jest cz\u0119sto opisywany mianem \u201ekonstrukcji Tellera-Ulama\u201d.<\/p>\n\n\n\n
2. Reaktory fuzyjne<\/h3>\n\n\n\n
Badania nad reaktorami fuzyjnymi rozpocz\u0119\u0142y si\u0119 w latach 40. XX wieku. Fuzja j\u0105drowa to potencjalna metoda wytwarzania energii elektrycznej z ciep\u0142a uwalnianego w reakcjach syntezy j\u0105drowej.
Reaktor fuzyjny to urz\u0105dzenie, kt\u00f3re ma na celu kontrolowane wytwarzanie energii poprzez syntez\u0119 (fuzj\u0119) lekkich j\u0105der atomowych izotop\u00f3w wodoru (deuteru i trytu) w ci\u0119\u017csze j\u0105dra (helu), na\u015bladuj\u0105c procesy zachodz\u0105ce w S\u0142o\u0144cu i innych gwiazdach.<\/p>\n\n\n\n
W wyniku reakcji egzotermicznej powstaj\u0105cej w gwie\u017adzie wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produkt\u00f3w i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczaj\u0105cych atomach i przekszta\u0142ca si\u0119 na energi\u0119 s\u0142oneczn\u0105 i ciepln\u0105.
Obecny \u015bwiat stara si\u0119 obecnie szybko dekarbonizowa\u0107 i przyspieszy\u0107 przej\u015bcie od paliw kopalnych, kt\u00f3re zu\u017cywaj\u0105 ogromne ilo\u015bci energii, na rzecz odnawialnych \u017ar\u00f3de\u0142 energii, takich jak energia s\u0142oneczna, wiatrowa i wodna. \u0179r\u00f3d\u0142a te w sytuacjach braku s\u0142o\u0144ca i wiatru nie zapewniaj\u0105 \u017cadnych dostaw energii. Niekt\u00f3re kraje stawiaj\u0105 na energi\u0119 pochodz\u0105c\u0105 z rozszczepienia j\u0105drowego, kt\u00f3ra jest niskoemisyjna, ale wi\u0105\u017ce si\u0119 z niewielkim, cho\u0107 nie pomijalnym, ryzykiem katastrofy, problemami ze sk\u0142adowaniem odpad\u00f3w radioaktywnych i wysokimi kosztami.<\/p>\n\n\n\n
W przeciwie\u0144stwie do obecnie stosowanej energii pochodz\u0105cej z rozszczepienia j\u0105drowego, fuzja j\u0105drowa nie wytwarza odpad\u00f3w radioaktywnych, co oznacza, \u017ce mo\u017ce by\u0107 pierwszym krokiem w kierunku zmniejszenia naszej zale\u017cno\u015bci od paliw kopalnych i stworzenia nieograniczonego, czystego \u017ar\u00f3d\u0142a energii w czasach, gdy ludzko\u015b\u0107 mierzy si\u0119 z kryzysem klimatycznym.<\/p>\n\n\n\n
Wykorzystanie energii syntezy j\u0105drowej w warunkach ziemskich da\u0142oby olbrzymi\u0105 ilo\u015b\u0107 energii. Energia wytworzona w ten spos\u00f3b powinna minimalnie wp\u0142ywa\u0107 na \u015brodowisko. Ocenia si\u0119, \u017ce jeden gram mieszanki paliwowej deuteru i trytu w procesie syntezy j\u0105drowej wytwarza 90 000 kilowatogodzin energii, czyli r\u00f3wnowarto\u015b\u0107 11 ton w\u0119gla. Elektrownia w\u0119glowa o mocy 1000 MW wymaga niemal 3 milion\u00f3w ton w\u0119gla rocznie. Elektrownia fuzyjna o tej samej mocy potrzebuje do tego jedynie 125 kg deuteru i 125 kg trytu.<\/p>\n\n\n\n
Deuter mo\u017cna pozyskiwa\u0107 ze wszystkich form wody, jest uzyskiwany przy produkcji \u201eci\u0119\u017ckiej wody.\u201d Tryt znacznie trudniej znale\u017a\u0107 w naturze. Rzadko\u015b\u0107 wyst\u0119powania trytu wynika z jego kr\u00f3tkiego okresu rozpadu po\u0142owicznego. Ten radioaktywny izotop wodoru powstaje w naturze tylko w g\u00f3rnych warstwach atmosfery w niewielkich ilo\u015bciach. Tryt mo\u017cna jednak wytwarza\u0107 w samym reaktorze fuzyjnym. Izotop ten powstaje w wyniku kontaktu neutron\u00f3w uciekaj\u0105cych, z wytworzonej w reaktorze plazmy, z litem tworz\u0105cym wewn\u0119trzn\u0105 os\u0142on\u0119 reaktora.<\/p>\n\n\n\n
3. Zasada dzia\u0142ania<\/h3>\n\n\n\n
Proces syntezy wymaga ekstremalnych warunk\u00f3w, aby pokona\u0107 si\u0142y elektrostatycznego odpychania mi\u0119dzy dodatnio na\u0142adowanymi j\u0105drami. Wymagane warunki to: Ekstremalna temperatura <\/em>– paliwo musi by\u0107 podgrzane w komorze urz\u0105dzenia do temperatury rz\u0119du 100 milion\u00f3w stopni Celsjusza (ponad sze\u015bciokrotnie wi\u0119cej ni\u017c temperatura j\u0105dra S\u0142o\u0144ca), przechodz\u0105c w stan skupienia zwany plazm\u0105 (zjonizowany gaz sk\u0142adaj\u0105cy si\u0119 z wolnych elektron\u00f3w i j\u0105der atomowych). Odpowiednie ci\u015bnienie i uwi\u0119zienie<\/em> – plazma musi by\u0107 utrzymywana z dala od \u015bcian reaktora przez wystarczaj\u0105co d\u0142ugi czas, aby nie zniszczy\u0107 materia\u0142u komory.<\/p>\n\n\n\nReakcje termoj\u0105drowe zachodz\u0105 w wyniku zbli\u017cenia si\u0119 j\u0105der na odleg\u0142o\u015b\u0107 odpowiadaj\u0105c\u0105 zasi\u0119gowi si\u0142 j\u0105drowych (ok. 1 fm), co jest mo\u017cliwe po pokonaniu elektrostatycznej bariery kulombowskiej wzajemnego odpychania j\u0105der; reakcje termoj\u0105drowe mog\u0105 wi\u0119c zachodzi\u0107 albo przy du\u017cej energii zderzaj\u0105cych si\u0119 j\u0105der, co odpowiada temperaturze rz\u0119du 10\u03150 milion\u00f3w stopni K, albo przy zniekszta\u0142ceniu bariery kulombowskiej (np. zw\u0119\u017ceniu, wyst\u0119puj\u0105cym pod olbrzymim ci\u015bnieniem panuj\u0105cym w gwiazdach, gdy g\u0119sto\u015b\u0107 materii przekracza 104 g\/cm3).<\/p>\n\n\n\n
Na Ziemi, ze wzgl\u0119du na brak pot\u0119\u017cnego pola grawitacyjnego wyst\u0119puj\u0105cego w gwiazdach, stosuje si\u0119 g\u0142\u00f3wnie dwie metody syntezy j\u0105der: Magnetyczne uwi\u0119zienie<\/em> (magnetic confinemat fusion, MCF) oraz Inercyjne uwi\u0119zienie<\/em> (inertial confinement fusion, ICF).<\/p>\n\n\n\n4. Magnetyczne uwi\u0119zienie<\/h3>\n\n\n\n
W metodzie magnetycznego uwi\u0119zienia (MCF) wykorzystuje si\u0119 silne pola magnetyczne w urz\u0105dzeniach nazywanych tokamakami lub stellaratorami. Urz\u0105dzenia wykorzystuj\u0105 silny pr\u0105d elektryczny do rozbicia izotop\u00f3w wodoru, deuteru i trytu umieszczonych w komorze reaktora odrywaj\u0105c elektrony od j\u0105der i tworz\u0105c plazm\u0119 \u2014 gor\u0105cy, na\u0142adowany elektrycznie gaz. W plazmie elektrony s\u0105 odrywane od atom\u00f3w. Atom, w kt\u00f3rym nie ma elektron\u00f3w kr\u0105\u017c\u0105cych wok\u00f3\u0142 j\u0105dra, nazywany jest zjonizowanym i nosi nazw\u0119 jonu. W rezultacie plazma sk\u0142ada si\u0119 z jon\u00f3w i swobodnych elektron\u00f3w. Oba typy reaktor\u00f3w wykorzystuj\u0105 fakt, \u017ce na\u0142adowane cz\u0105stki reaguj\u0105 na si\u0142y magnetyczne do kontrolowania i ograniczania wytworzonej plazmy w toroidalnej komorze reaktora. Silne magnesy w reaktorach utrzymuj\u0105 jony w miejscu. Reaktor utrzymuje t\u0119 plazm\u0119, oddalaj\u0105c j\u0105 od powierzchni materia\u0142\u00f3w komory (kt\u00f3re w przeciwnym razie uleg\u0142yby zniszczeniu) za pomoc\u0105 kombinacji p\u00f3l magnetycznych o geometrii toroidalnej (kszta\u0142t p\u0105czka).<\/p>\n\n\n\n
Elektrony s\u0105 r\u00f3wnie\u017c wi\u0105zane przez si\u0142y magnetyczne reaktor\u00f3w. Si\u0142y magnetyczne nieustannie obracaj\u0105 cz\u0105stki w komorach reaktora, zapobiegaj\u0105c ich ucieczce z plazmy.<\/p>\n\n\n\n
G\u0142\u00f3wna komora ma kszta\u0142t torusa. Dzi\u0119ki dzia\u0142aniu elektromagnes\u00f3w tworzony jest pier\u015bcie\u0144 plazmy. Zmienne pole magnetyczne pochodz\u0105ce z transformatora indukuje pr\u0105d elektryczny w pier\u015bcieniu gazu. Pr\u0105d ten powoduje wy\u0142adowania w gazie. Zachodzi jeszcze wi\u0119ksza jego jonizacja i ogrzewanie. W ko\u0144cu tworzy si\u0119 gor\u0105ca plazma. Jest ona utrzymywana w zwartym s\u0142upie wewn\u0105trz pier\u015bcienia dzi\u0119ki silnemu polu magnetycznemu.<\/p>\n\n\n\n
Gdy cz\u0105steczki plazmy zostaj\u0105 pobudzone i zderzaj\u0105 si\u0119, nagrzewaj\u0105 si\u0119, ostatecznie osi\u0105gaj\u0105c temperatur\u0119 od 100 do 300 milion\u00f3w stopni Celsjusza. W tym momencie j\u0105dra wodoru s\u0105 tak pobudzone, \u017ce mog\u0105 przezwyci\u0119\u017cy\u0107 swoj\u0105 naturaln\u0105 tendencj\u0119 do odpychania si\u0119, dzi\u0119ki czemu mog\u0105 po\u0142\u0105czy\u0107 si\u0119, tworz\u0105c hel. W tym procesie uwalniaj\u0105 ogromne ilo\u015bci energii. Utrzymanie stabilno\u015bci plazmy w celu pozyskania energii jest trudne. Jest ona chaotyczna, supergor\u0105ca i podatna na turbulencje oraz inne niestabilno\u015bci. Wsp\u00f3\u0142czesna nauka wyja\u015bni\u0142a ju\u017c wiele problem\u00f3w wp\u0142ywaj\u0105cych na zachowanie plazmy.<\/p>\n\n\n\n
Eksperymentalne tokamaki pracuj\u0105 od dziesi\u0119cioleci. Do tej pory jednak wymaga\u0142y wi\u0119cej energii do wytworzenia plazmy i jej kr\u00f3tkotrwa\u0142ego podtrzymania ni\u017c generuje fuzja. Uwa\u017ca si\u0119, \u017ce wsp\u00f3\u0142cze\u015bnie budowane tokamaki pokonaj\u0105 w przysz\u0142o\u015bci to ograniczenie.<\/p>\n\n\n\n
Pierwszy tokamak, T-1, rozpocz\u0105\u0142 dzia\u0142alno\u015b\u0107 w Rosji w 1958 roku. Koncepcj\u0119 tokamaka stworzyli w 1950 Igor Tamm i Andriej Sacharow. Tokamak (skr\u00f3t od rosyjskich s\u0142\u00f3w oznaczaj\u0105cych \u201etoroidalne uwi\u0119zienie magnetyczne\u201d) zosta\u0142 uruchomiony w Moskwie w po\u0142owie lat 60. XX wieku przez radzieckich fizyk\u00f3w plazmowych.<\/p>\n\n\n\n
Kolejne post\u0119py doprowadzi\u0142y do budowy testowego reaktora syntezy j\u0105drowej. Tokamaki w Princeton Plasma Physics Laboratory oraz Joint European Torus w Anglii osi\u0105gn\u0119\u0142y rekordow\u0105 moc syntezy j\u0105drowej w latach 90. XX wieku. Te sukcesy zmotywowa\u0142y 35 kraj\u00f3w do wsp\u00f3\u0142pracy przy projekcie nadprzewodz\u0105cego tokamaka ITER, kt\u00f3rego celem jest zbadanie fizyki spalania plazmy. ITER-International Thermonuclear Experimental Reactor, Mi\u0119dzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termoj\u0105drowy ITER to do\u015bwiadczalny rektor fuzyjny budowany w centrum badawczym Cadarache w pobli\u017cu Marsylii, na po\u0142udniu Francji.<\/p>\n\n\n\n
Konkurencyjne rozwi\u0105zanie w stosunku do tokamaka to stellarator (MS). Stellarator to toroidalne urz\u0105dzenie do ograniczania pola magnetycznego, w kt\u00f3rym transformacja obrotowa pola magnetycznego jest w g\u0142\u00f3wnej mierze spowodowana przez kszta\u0142t zewn\u0119trznych cewek pola magnetycznego. Rozwi\u0105zanie zapewnia takie zalety, jak zwi\u0119kszona stabilno\u015b\u0107 plazmy i mo\u017cliwo\u015b\u0107 jej utrzymania w stanie ustalonym przez d\u0142u\u017cszy czas w por\u00f3wnaniu do tokamak\u00f3w.
Skr\u0119canie magnes\u00f3w mo\u017ce nada\u0107 im kszta\u0142t helisy (tr\u00f3jwymiarowa krzywa w kszta\u0142cie skr\u0119conej spr\u0119\u017cyny lub \u015bruby) bez konieczno\u015bci u\u017cycia transformatora \u2013 taki rodzaj konfiguracji nazywa si\u0119 stellaratorem.<\/p>\n\n\n\n
Podstawowa koncepcja fizyczna le\u017c\u0105ca u podstaw uk\u0142adu magnetycznego stellaratora (MS) jest bardzo z\u0142o\u017cona, a wymagania dotycz\u0105ce dok\u0142adno\u015bci jej wdro\u017cenia s\u0105 bardziej rygorystyczne ni\u017c w przypadku tokamak\u00f3w. Ponadto, przy tych samych obj\u0119to\u015bciach plazmy, stellarator jest wi\u0119kszy ni\u017c tokamak. Z tego powodu obecnie tokamak jest uwa\u017cany za rozwi\u0105zanie lepsze, aczkolwiek stellarator ci\u0105gle jest traktowany jako jego powa\u017cne rozwi\u0105zanie konkurencyjne.
Stellaratory pracuj\u0105 bardziej stabilnie ni\u017c tokamaki i umo\u017cliwiaj\u0105 prac\u0119 ci\u0105g\u0142\u0105, podczas gdy tokamaki s\u0105 lepsze w utrzymywaniu wysokiej temperatury plazmy, ale pracuj\u0105 w trybie impulsowym. G\u0142\u00f3wna r\u00f3\u017cnica polega na tym, \u017ce stellaratory u\u017cywaj\u0105 skomplikowanych, zewn\u0119trznych cewek magnetycznych do tworzenia pola w kszta\u0142cie torusa, podczas gdy tokamaki wykorzystuj\u0105 wi\u0119kszy pr\u0105d przep\u0142ywaj\u0105cy przez sam\u0105 plazm\u0119 do stworzenia pola.<\/p>\n\n\n\n
5. Fuzja inercyjna, Inertial confinement fusion, ICF<\/h3>\n\n\n\n
Jest to jedna z g\u0142\u00f3wnych, wykorzystywanych obecnie, metod produkcji energii z fuzji j\u0105drowej. Zasada dzia\u0142ania ICF (rys. 9) polega na napromieniowaniu milimetrowej kulistej kapsu\u0142y wype\u0142nionej deuterem i trytem (DT) promieniowaniem o bardzo du\u017cej mocy przez kilka nanosekund przy pomocy wielu wi\u0105zek promieniowania laserowego. Jako paliwo wykorzystywane s\u0105 izotopy wodoru: deuter i tryt. Odparowanie zewn\u0119trznej powierzchni kapsu\u0142y spowodowane dzia\u0142aniem promieni lasera prowadzi do spr\u0119\u017cenia paliwa deuter-tryt. To odparowanie powoduje ogromne ci\u015bnienie wewn\u0119trzne, kt\u00f3re \u015bciska paliwo do ekstremalnych g\u0119sto\u015bci i temperatur wywo\u0142uj\u0105c temperatury (~100 milion\u00f3w K) wystarczaj\u0105cych do zainicjowania reakcji syntezy j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n
W przypadku paliwa DT wi\u0119kszo\u015b\u0107 energii uwalniana jest w postaci cz\u0105stek alfa i neutron\u00f3w. W normalnych warunkach cz\u0105stki alfa mog\u0105 przemieszcza\u0107 si\u0119 przez paliwo na odleg\u0142o\u015b\u0107 oko\u0142o 10 mm, ale w warunkach ultrag\u0119stego spr\u0119\u017conego paliwa mog\u0105 one przemieszcza\u0107 si\u0119 na odleg\u0142o\u015b\u0107 oko\u0142o 0,01 mm, zanim ich \u0142adunek elektryczny, oddzia\u0142uj\u0105c z otaczaj\u0105c\u0105 plazm\u0105, spowoduje utrat\u0119 pr\u0119dko\u015bci. Wi\u0119kszo\u015b\u0107 energii uwalnianej przez cz\u0105stki alfa jest ponownie gromadzona w paliwie. Ten transfer energii kinetycznej podgrzewa otaczaj\u0105ce cz\u0105stki do energii niezb\u0119dnej do syntezy j\u0105drowej wywo\u0142uj\u0105c temperatury (~100 milion\u00f3w K) wystarczaj\u0105ce do zainicjowania reakcji syntezy j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n
Proces ten powoduje, \u017ce paliwo termoj\u0105drowe spala si\u0119 w kierunku na zewn\u0105trz od \u015brodka. Neutralne elektrycznie neutrony przemieszczaj\u0105 si\u0119 na wi\u0119ksze odleg\u0142o\u015bci w masie paliwa i nie przyczyniaj\u0105 si\u0119 do procesu samonagrzewania. Wytworzone cz\u0105stki alfa s\u0105 nast\u0119pnie ponownie absorbowane w plazmie, co dodatkowo podnosi jej temperatur\u0119 i wywo\u0142uje du\u017c\u0105 reakcj\u0119 syntezy j\u0105drowej, kt\u00f3ra mo\u017ce zu\u017cy\u0107 znaczn\u0105 cz\u0119\u015b\u0107 paliwa DT. Osi\u0105gni\u0119cie tego stanu spalania plazmy wymaga niezwykle symetrycznego napromieniowania i bardzo \u015bcis\u0142ej tolerancji kapsu\u0142y.<\/p>\n\n\n\n
Prowadzone eksperymenty nie umo\u017cliwiaj\u0105 wytwarzania energii w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y, to tylko pr\u00f3by laboratoryjne. Wed\u0142ug uproszczonego schematu dzia\u0142ania przysz\u0142a elektrownia fuzyjna b\u0119dzie dzia\u0142a\u0107 zgodnie z zasad\u0105 przedstawion\u0105 na rys. 10.<\/p>\n\n\n\n
Kapsu\u0142a wype\u0142niona (oko\u0142o) jednym mg deuteru i trytu jest dostarczana do komory reakcyjnej, gdzie jest napromieniowywana r\u00f3wnocze\u015bnie wieloma wi\u0105zkami laserowymi o energii megad\u017culi. Implozja kapsu\u0142y mo\u017ce doprowadzi\u0107 do spalania nawet 30% DT, co prowadzi do uwolnienia ponad 100 MJ. Powtarzanie tego procesu wielokrotnie na sekund\u0119 spowoduje wygenerowanie \u015bredniej mocy rz\u0119du gigawat\u00f3w, g\u0142\u00f3wnie w postaci szybkich neutron\u00f3w (14,3 MeV).
W przeciwie\u0144stwie do uwi\u0119zienia magnetycznego, metoda ta nie utrzymuje plazmy przez d\u0142ugi czas, ale u\u017cywa inercji i gwa\u0142townego impulsu do jej skompresowania.<\/p>\n\n\n\n
Po osi\u0105gni\u0119ciu warunk\u00f3w fuzji, wydzielana jest energia w postaci energii kinetycznej produkt\u00f3w reakcji (g\u0142\u00f3wnie neutron\u00f3w i j\u0105der helu). Energia neutron\u00f3w jest nast\u0119pnie poch\u0142aniana przez tzw. \u201ep\u0142aszcz\u201d (ang. blanket) otaczaj\u0105cy rdze\u0144 reaktora, kt\u00f3ry si\u0119 nagrzewa. Ciep\u0142o to mo\u017ce by\u0107 wykorzystane do wytwarzania pary, nap\u0119dzaj\u0105cej turbozespo\u0142y generator\u00f3w energii elektrycznej lub jako ciep\u0142o technologiczne w pewnych obszarach gospodarki.<\/p>\n\n\n\n
6. Obecny stan rozwoju i wyzwania energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
Obecnie reaktory fuzyjne wci\u0105\u017c s\u0105 na etapie badawczym, a najwi\u0119kszym wyzwaniem pozostaje osi\u0105gni\u0119cie dodatniego bilansu energetycznego (produkcja wi\u0119kszej ilo\u015bci energii ni\u017c zu\u017cywanej do podgrzania i utrzymania plazmy) w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y i op\u0142acalny ekonomicznie.
MAEA (Mi\u0119dzynarodowa Agencja Energii Atomowej) od lat odgrywa kluczow\u0105 rol\u0119 w mi\u0119dzynarodowych badaniach nad syntez\u0105 j\u0105drow\u0105. W 1960 roku MAEA uruchomi\u0142a czasopismo \u201eNuclear Fusion\u201d, aby wymienia\u0107 si\u0119 informacjami na temat post\u0119p\u00f3w w dziedzinie syntezy j\u0105drowej. Pierwsza mi\u0119dzynarodowa konferencja MAEA po\u015bwi\u0119cona energii syntezy j\u0105drowej odby\u0142a si\u0119 w 1961 roku, a od 1974 roku MAEA organizuje konferencj\u0119 co dwa lata, aby wspiera\u0107 dyskusj\u0119 na temat rozwoju i osi\u0105gni\u0119\u0107 w tej dziedzinie.<\/p>\n\n\n\n
7. Zalety energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
Fuzja j\u0105drowa uwa\u017cana jest obecnie do najbardziej przyjaznych dla \u015brodowiska \u017ar\u00f3de\u0142 energii. Proces syntezy j\u0105drowej nie powoduje emisji CO2, innych szkodliwych gaz\u00f3w ani py\u0142\u00f3w do atmosfery. Synteza j\u0105drowa nie przyczynia si\u0119 do emisji gaz\u00f3w cieplarnianych ani globalnego ocieplenia. Dwa \u017ar\u00f3d\u0142a paliwa, wod\u00f3r i lit, s\u0105 powszechnie dost\u0119pne w wielu cz\u0119\u015bciach \u015bwiata i \u0142atwe do pozyskania.
W wyniku przebiegu fuzji j\u0105drowej nie powstaj\u0105 \u017cadne d\u0142ugo\u017cyciowe odpady radioaktywne. Proces ten jest przeciwie\u0144stwem rozszczepienia j\u0105drowego opartego na uranie lub plutonie w wyniku kt\u00f3rego powstaj\u0105 niestabilne j\u0105dra; niekt\u00f3re z nich s\u0105 radioaktywne przez tysi\u0105ce lat emituj\u0105c szkodliwe dla \u015brodowiska promieniowanie.
Reaktor termoj\u0105drowy produkuje hel, kt\u00f3ry jest gazem oboj\u0119tnym. Produkuje r\u00f3wnie\u017c i zu\u017cywa tryt w elektrowni w obiegu zamkni\u0119tym. Tryt jest radioaktywny (emiter beta), ale jego okres p\u00f3\u0142trwania jest kr\u00f3tki. Jest on u\u017cywany tylko w niewielkich ilo\u015bciach, wi\u0119c w przeciwie\u0144stwie do d\u0142ugo\u017cyciowych j\u0105der radioaktywnych, nie mo\u017ce stanowi\u0107 powa\u017cnego zagro\u017cenia.
Produkcja energii z fuzji j\u0105drowej nie opiera si\u0119 na reakcji \u0142a\u0144cuchowej, tak jak rozszczepienie. Aby zachodzi\u0142a reakcja syntezy wytworzona plazma musi by\u0107 utrzymywana w bardzo wysokiej temperaturze, wymagaj\u0105c zewn\u0119trznych system\u00f3w grzewczych i musi by\u0107 utrzymywana w zewn\u0119trznym polu magnetycznym. Zmiana konfiguracji roboczej reaktora powoduje sch\u0142odzenie plazmy lub utrat\u0119 jej szczelno\u015bci. W przypadku powstania takiej sytuacji reaktor automatycznie zatrzyma\u0142by si\u0119 w ci\u0105gu kilku sekund, poniewa\u017c proces syntezy zosta\u0142by zatrzymany, bez \u017cadnych skutk\u00f3w zewn\u0119trznych. W \u015bwietle obecnej wiedzy reaktory fuzyjne s\u0105 uwa\u017cane z natury za bezpieczne.<\/p>\n\n\n\n
8. Problemy energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
Cho\u0107 fuzja jest z natury bezpieczniejsza ni\u017c rozszczepienie j\u0105drowe, nie jest ca\u0142kowicie pozbawiona problem\u00f3w. Neutrony wyzwalane w procesie fuzji mog\u0105 degradowa\u0107 materia\u0142y reaktora, zmniejszaj\u0105c ich wytrzyma\u0142o\u015b\u0107, powoduj\u0105c krucho\u015b\u0107, itp. Z biegiem czasu neutrony mog\u0105 skutecznie napromieniowa\u0107 reaktor i otaczaj\u0105ce go materia\u0142y. Proces ten zale\u017cy w du\u017cej mierze od zastosowanych rozwi\u0105za\u0144 konstrukcyjnych i u\u017cytych materia\u0142\u00f3w. Dodatkowo, tryt, kt\u00f3ry jest lekko radioaktywnym paliwem, wymaga ostro\u017cnego obchodzenia si\u0119 z nim, aby nie powsta\u0142y jego wycieki.
Zagadnienia te stanowi\u0105 powa\u017cne wyzwania dla przysz\u0142ych eksperyment\u00f3w z fuzj\u0105.<\/p>\n\n\n\n
9. Prognozy dost\u0119pno\u015bci energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
Obecnie testowane laboratoryjnie urz\u0105dzenia fuzyjne wytwarzaj\u0105 ponad dziesi\u0119\u0107 megawat\u00f3w energii z fuzji ale przez bardzo kr\u00f3tki czas. Budowany ITER b\u0119dzie w stanie wytworzy\u0107 500 megawat\u00f3w energii z fuzji. Chocia\u017c jest to moc elektrowni zawodowych nadal istniej\u0105 pewne problemy technologiczne do rozwi\u0105zania, zanim komercyjna elektrownia b\u0119dzie mog\u0142a dzia\u0142a\u0107.<\/p>\n\n\n\n
Dost\u0119p do komercyjnej energii fuzyjnej to nadal kwestia przysz\u0142o\u015bci, ale tempo post\u0119pu w tej dziedzinie zdecydowanie wzros\u0142o w ostatnich latach. Optymistyczne prognozy sugeruj\u0105, \u017ce pierwsze komercyjne reaktory termoj\u0105drowe mog\u0105 zacz\u0105\u0107 dzia\u0142a\u0107 w latach 40. XXI wieku.<\/p>\n\n\n\n
Prywatne firmy pracuj\u0105 nad bardziej kompaktowymi i wydajnymi rozwi\u0105zaniami, kt\u00f3re mog\u0105 przyspieszy\u0107 wdro\u017cenie tej technologii. Wed\u0142ug ekspert\u00f3w z tej bran\u017cy w perspektywie \u015brednioterminowej, czyli do 2050 roku, energia fuzyjna nie zast\u0105pi paliw kopalnych ani odnawialnych \u017ar\u00f3de\u0142 energii, poniewa\u017c wci\u0105\u017c pozostaje w fazie eksperymentalnej.<\/p>\n\n\n\n
10. Istniej\u0105ce badawcze rozwi\u0105zania<\/h3>\n\n\n\n
G\u0142\u00f3wne projekty badawcze to m.in.:<\/p>\n\n\n\n
10. 1. ITER<\/h5>\n\n\n\n
ITER to skr\u00f3t od Mi\u0119dzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termoj\u0105drowego (International Thermonuclear Experimental Reactor), czyli wielkoskalowego, mi\u0119dzynarodowego projektu badawczego, kt\u00f3rego celem jest zbudowanie i uruchomienie reaktora fuzyjnego w celu sprawdzenia mo\u017cliwo\u015bci produkcji energii elektrycznej z kontrolowanej syntezy j\u0105drowej. Projekt, kt\u00f3rego realizacja odbywa si\u0119 we Francji, jest jednym z najbardziej z\u0142o\u017conych i kosztownych przedsi\u0119wzi\u0119\u0107 in\u017cynieryjnych w historii.<\/p>\n\n\n\n
ITER to powstaj\u0105cy najwi\u0119kszy na \u015bwiecie tokamak, maj\u0105cy na celu udowodni\u0107, \u017ce fuzja jest op\u0142acalna z naukowego i technicznego punktu widzenia (planowane pierwsze eksperymenty z plazm\u0105 w 2030 r., z D-T w 2035 r.).
Przy projektowaniu ITER przyj\u0119to za\u0142o\u017cenie \u017ce urz\u0105dzenie w du\u017cej skali stwarza wi\u0119kszy potencja\u0142 dla reakcji syntezy j\u0105drowej. Moc wyj\u015bciowa w takiej skali ro\u015bnie poprawiaj\u0105c zarazem wydajno\u015b\u0107 urz\u0105dzenia. Je\u015bli ITER b\u0119dzie dzia\u0142a\u0142 zgodnie z planem po osi\u0105gni\u0119ciu pe\u0142nej sprawno\u015bci w 2035 roku, zu\u017cyje 50 megawat\u00f3w mocy wej\u015bciowej, aby wygenerowa\u0107 500 megawat\u00f3w energii z syntezy j\u0105drowej w postaci ciep\u0142a. Chocia\u017c ITER nie b\u0119dzie wykorzystywa\u0142 tej energii do wytwarzania energii elektrycznej, ma on s\u0142u\u017cy\u0107 jako do\u015bwiadczalny model reaktora fuzyjnego w celu rozwi\u0105zania wielu problem\u00f3w naukowych.<\/p>\n\n\n\n
Reaktor fuzyjny b\u0119dzie podgrzewa\u0142 strumie\u0144 paliwa deuterowo-trytowego, tworz\u0105c plazm\u0119 wysokotemperaturow\u0105. Moc potrzebna do rozpocz\u0119cia reakcji syntezy j\u0105drowej wyniesie oko\u0142o 70 megawat\u00f3w, ale moc wyj\u015bciowa reakcji wyniesie oko\u0142o 500 megawat\u00f3w. Reakcja syntezy j\u0105drowej b\u0119dzie trwa\u0142a od 300 do 500 sekund. (Ostatecznie b\u0119dzie to trwa\u0142a reakcja syntezy j\u0105drowej).<\/p>\n\n\n\n
Koce litowe umieszczone na zewn\u0105trz komory reakcji plazmowej b\u0119d\u0105 absorbowa\u0107 wysokoenergetyczne neutrony z reakcji syntezy j\u0105drowej, wytwarzaj\u0105c wi\u0119cej paliwa trytowego. Koce b\u0119d\u0105 si\u0119 r\u00f3wnie\u017c nagrzewa\u0107 pod wp\u0142ywem neutron\u00f3w.
Ciep\u0142o b\u0119dzie przekazywane przez p\u0119tl\u0119 ch\u0142odzenia wodnego do wymiennika ciep\u0142a w celu wytworzenia pary.
Para b\u0119dzie nap\u0119dza\u0107 turbiny elektryczne produkuj\u0105ce energi\u0119 elektryczn\u0105.<\/p>\n\n\n\n
Para wodna zostanie skroplona i zamieniona w wod\u0119, co pozwoli na poch\u0142oni\u0119cie wi\u0119kszej ilo\u015bci ciep\u0142a z reaktora w wymienniku ciep\u0142a. Tokamak ITER pocz\u0105tkowo b\u0119dzie s\u0142u\u017cy\u0142 do testowania wykonalno\u015bci reaktora termoj\u0105drowego, a ostatecznie stanie si\u0119 testow\u0105 elektrowni\u0105 termoj\u0105drow\u0105.<\/p>\n\n\n\n
10. 2. JET<\/h5>\n\n\n\n
JET (Joint European Torus) w Wielkiej Brytanii to najwi\u0119kszy dzia\u0142aj\u0105cy tokamak, na kt\u00f3rym w lutym 2022 r. osi\u0105gni\u0119to rekordow\u0105 energi\u0119 59 megad\u017culi z fuzji w ci\u0105gu 5 sekund. Tokamak JET to eksperymentalny reaktor termoj\u0105drowy w kszta\u0142cie torusa, po\u0142o\u017cony w Culham Center for Fusion Energy w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Obiekt wykorzystuje pola magnetyczne utrzymuj\u0105ce gor\u0105cy, zjonizowany gaz (plazm\u0119) z dala od wewn\u0119trznej \u015bciany zbiornika, umo\u017cliwiaj\u0105c bezpieczn\u0105 prac\u0119 w temperaturze 150 milion\u00f3w stopni dziesi\u0119ciokrotnie wy\u017cszej ni\u017c temperatura w j\u0105drze s\u0142o\u0144ca.
Rdzeniem reaktora jest komora pr\u00f3\u017cniowa, w kt\u00f3rej plazma termoj\u0105drowa jest utrzymywana za pomoc\u0105 silnych p\u00f3l magnetycznych. W obecnej konfiguracji g\u0142\u00f3wny i mniejszy promie\u0144 torusa plazmowego wynosz\u0105 odpowiednio 3 i 0,9 metra, a ca\u0142kowita obj\u0119to\u015b\u0107 plazmy wynosi 90 metr\u00f3w sze\u015bciennych. Divertor zlokalizowany na dnie komory pr\u00f3\u017cniowej umo\u017cliwia kontrolowane odprowadzanie uciekaj\u0105cego ciep\u0142a i gazu.<\/p>\n\n\n\n
10. 3. NIF<\/h5>\n\n\n\n
NIF (National Ignition Facility) w USA. Jet to plac\u00f3wka badawcza wykorzystuj\u0105ca inercyjne uwi\u0119zienie, gdzie po raz pierwszy uda\u0142o si\u0119 osi\u0105gn\u0105\u0107 naukowy pr\u00f3g zap\u0142onu (wi\u0119cej energii z fuzji ni\u017c dostarczono do paliwa).<\/p>\n\n\n\n
10. 4. EAST<\/h5>\n\n\n\n
EAST w Chinach i KSTAR w Korei Po\u0142udniowej to tokamaki, kt\u00f3re ustanowi\u0142y rekordy w d\u0142ugo\u015bci trwania stabilnej plazmy.<\/p>\n\n\n\n
10. 5. CFS<\/h5>\n\n\n\n
CFS (Commonwealth Fusion Systems) to firma, kt\u00f3ra og\u0142osi\u0142o plany budowy niedaleko Richmond w stanie Wirginia pierwszej na \u015bwiecie elektrowni fuzyjnej na skal\u0119 sieciow\u0105. CFS wybra\u0142o teren w hrabstwie Chesterfield w Wirginii jako miejsce budowy elektrowni typu ARC (skr\u00f3t od Affordable, Robust, Compact \u2013 przyst\u0119pny cenowo, wytrzyma\u0142y, kompaktowy). Celem tej elektrowni fuzyjnej jest wytwarzanie, do wczesnych lat 30. XXI wieku 400 megawat\u00f3w czystej, praktycznie nieograniczonej energii.<\/p>\n\n\n\n
Reaktor o nazwie SPARC b\u0119dzie wykorzystywa\u0142 zupe\u0142nie nowy system wysokotemperaturowych magnes\u00f3w nadprzewodz\u0105cych zaprojektowanych przez CFS, aby utrzyma\u0107 supergor\u0105c\u0105 plazm\u0119 w temperaturze ponad 100 milion\u00f3w \u00b0C. Ma to by\u0107 reaktor typu tokamak.<\/p>\n\n\n\n
10. 6. WEST and EAST<\/h5>\n\n\n\n
Zespo\u0142y badawcze z Chin i Francji osi\u0105gn\u0119\u0142y rekordowe czasy stabilnych stan\u00f3w plazmy w stanowiskach fuzyjnych. Reaktor EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak \u2013 eksperymentalny nadprzewodz\u0105cy tokamak) opracowany przez Instytut Fizyki Plazmy Chi\u0144skiej Akademii Nauk, w styczniu 2025 r. utrzyma\u0142 sta\u0142\u0105 prac\u0119 plazmy o wysokim ograniczeniu przez 1066 sekund.<\/p>\n\n\n\n
W ramach projektu \u201cWolfram Environment in Stead-state Tokamak\u201d, (stanowisko WEST, projekt francuski) uzyskano czas sta\u0142ej pracy plazmy wynosz\u0105cy 1337 sekund pobijaj\u0105c chi\u0144ski rekord sprzed kilku tygodni. Utrzymanie plazmy, kt\u00f3ra z natury jest niestabilna, jest jednym z najwi\u0119kszych problem\u00f3w w fuzji j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n
WEST jest wyj\u0105tkowy w\u015br\u00f3d europejskich tokamak\u00f3w dzi\u0119ki nadprzewodz\u0105cym magnesom, kt\u00f3re umo\u017cliwiaj\u0105 d\u0142ugie czasy utrzymywania. Ten doskona\u0142y wynik pozwoli okre\u015bli\u0107 kierunki rozwojowe dla przysz\u0142ego wykorzystania ITER w kt\u00f3rym w przysz\u0142ej dekadzie ma by\u0107 sprawdzona mo\u017cliwo\u015b\u0107 wielkoskalowej produkcji energii z fuzji j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n
11. Literatura<\/h3>\n\n\n\n
[1] Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Bada\u0144 Naukowych. (2007). Badania nad syntez\u0105 j\u0105drow\u0105: Opcja energetyczna dla przysz\u0142o\u015bci Europy. Raport instytucjonalny UE, ISBN 9279005138.<\/p>\n\n\n\n
[2] Cook, I., Marbach, G., Di Pace, L., Girard, C., & Taylor, N. P. (2001, kwiecie\u0144). Bezpiecze\u0144stwo i wp\u0142yw fuzji na \u015brodowisko (Raport EUR (01) CCE-FU \/ FTC 8\/5).<\/p>\n\n\n\n
[3] National Ignition Facility. (b.r.). National Ignition Facility. Dost\u0119p online: https:\/\/lasers.llnl.gov<\/a> (brak daty dost\u0119pu).<\/p>\n\n\n\n[4] Global Society. (b.r.). Nuclear fusion \u2013 a sustainable energy revolution: 2027 vision. Dost\u0119p online: https:\/\/www.globalsociety.earth\/post\/nuclear-fusion-a-sustainable-energy-revolution-2027-vision<\/a><\/p>\n\n\n\n[5] Fusion Energy Sciences (FES), Biuro Naukowe Departamentu Energii USA. (b.r.). Fusion Energy Sciences.<\/p>\n\n\n\n
[6] Kramarek, W., & Sa\u0142aci\u0144ski, T. (2013). Podstawowe zagadnienia bezpiecze\u0144stwa elektrowni j\u0105drowej. Przegl\u0105d Techniczny, nr 24\u201325\/2013, s. 20\u201330.<\/p>\n\n\n\n
[7] Kramarek, W. (2016, stycze\u0144). Warunki bezpiecznej pracy elektrowni j\u0105drowej. Mechanik. https:\/\/doi.org\/10.17814\/mechanik.2016.2.16<\/a><\/p>\n\n\n\n[8] U.S. Nuclear Regulatory Commission. (b.r.). Reading Room. Dost\u0119p online: http:\/\/www.nrc.gov\/reading<\/a><\/p>\n\n\n\n[9] European Nuclear Society. (b.r.). Pebble bed reactor. Dost\u0119p online: http:\/\/www.euronuclear.org\/info\/encyclopedia\/p\/pebble.htm<\/a><\/p>\n\n\n\n[10] Wikipedia. (b.r.). Industrial safety systems. Dost\u0119p online: http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Industrial_safety_systems<\/a><\/p>\n\n\n\n[11] World Nuclear Association. (b.r.). Nuclear power reactors. Dost\u0119p online: https:\/\/world-nuclear.org\/information-library\/nuclear-fuel-cycle\/nuclear-power-reactors\/nuclear-power-reactors<\/a><\/p>\n\n\n\n[12] Wikipedia. (b.r.). Wybuch j\u0105drowy. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/Wybuch_j%C4%85drowy<\/a><\/p>\n\n\n\n[13] Wikipedia. (b.r.). Bro\u0144 j\u0105drowa. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/Bro%C5%84_j%C4%85drowa<\/a><\/p>\n\n\n\n[14] Wikipedia. (b.r.). SPARC (tokamak). Dost\u0119p online: https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/SPARC_(tokamak)#\/media\/File:Sparc<\/a><\/p>\n\n\n\n[15] Wikipedia. (b.r.). \u0141adunek termoj\u0105drowy. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/%C5%81adunek_termoj\u0105drowy<\/a><\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
* Kontakt \/ Correspondence: wojciech.kramarek@pansim.edu.pl<\/a><\/p>\n\n\n\n
<\/p>\n<\/details>\n\n\n\n
Pobierz PDF<\/a> (Open Access)<\/p>\n\n\n\n Streszczenie:<\/strong> S\u0142owa kluczowe:<\/strong> energetyka j\u0105drowa, bomba atomowa, bomba wodorowa, reaktor nuklearny, reaktor j\u0105drowy, reaktor fuzyjny, bezpiecze\u0144stwo, systemy bezpiecze\u0144stwa pasywne i aktywne, normowanie europejskie i \u015bwiatow<\/em><\/p>\n\n\n\n Abstract:<\/strong> Keywords: <\/strong>nuclear energy, atomic bomb, hydrogen bomb, nuclear reactor, fusion reactor, safety, active and passive safety systems, european and world normatives<\/em><\/p>\n\n\n\n W 1938 roku fizycy niemieccy Otto Hahn i Fritz Strassmann przeprowadzili pierwsz\u0105 na \u015bwiecie reakcj\u0119 rozszczepienia j\u0105dra atomu. W lutym 1939 roku Hahn i Strassmann przewidzieli wyzwolenie dodatkowych neutron\u00f3w w czasie rozpadu atomowego czyli powstanie reakcji \u0142a\u0144cuchowej. Reakcja \u0142a\u0144cuchowa zosta\u0142a udowodniona przez Fr\u00e9d\u00e9rica Joliot i jego wsp\u00f3\u0142pracownik\u00f3w w marcu 1939 roku.<\/p>\n\n\n\n W 1933 r. emigrant w\u0119gierski fizyk Leo Szil\u00e1rd, wpad\u0142 na pomys\u0142 j\u0105drowej reakcji \u0142a\u0144cuchowej jako sposobu na jednoczesne uwolnienie i wykorzystanie energii zawartej w atomach. Kilka lat p\u00f3\u017aniej austriacka naukowiec Lise Meitner i jej siostrzeniec, fizyk Otto Frisch, zauwa\u017cyli \u017ce atom uranu bombardowany neutronami podzieli si\u0119 na dwie cz\u0119\u015bci. Naukowcy wywnioskowali, \u017ce w ten spos\u00f3b mo\u017cna wywo\u0142a\u0107 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105, kt\u00f3ra wyemituje ogromn\u0105 ilo\u015b\u0107 energii. Konstrukcj\u0119 bomby opracowano w Los Alamos National Laboratory pod kierunkiem dyrektora naukowego projektu, wybitnego fizyka Roberta Oppenheimera. Bomba atomowa to bro\u0144 masowego ra\u017cenia, kt\u00f3ra wykorzystuje kontrolowan\u0105 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105 rozszczepienia ci\u0119\u017ckich j\u0105der atomowych, takich jak uran-235 lub pluton-239. Neutron uderzaj\u0105c w j\u0105dro uranu U-235 powoduje jego rozpad. Rozszczepiany atom emituje neutrony, kt\u00f3re powoduj\u0105 rozpad nast\u0119pnych j\u0105der atomowych. Rozerwanie pojedynczego atomu nie daje du\u017co energii. Z ka\u017cdego rozerwania, z ka\u017cdego rozszczepienia, b\u0119dzie jej ma\u0142o, ale w sumie przy olbrzymiej ilo\u015bci atom\u00f3w bior\u0105cych udzia\u0142 w rozpadzie, uzyskamy olbrzymi\u0105 ilo\u015b\u0107 energii. W czasie pracy nad projektem pojawi\u0142 si\u0119 w pomys\u0142 opracowania bomby wodorowej, czyli broni o jeszcze wi\u0119kszej sile ra\u017cenia ni\u017c bomba atomowa. Bomba mia\u0142a wykorzysta\u0107 zjawisko fuzji nuklearnej. W czasie tej reakcji izotopy wodoru (najcz\u0119\u015bciej j deuter i tryt) \u0142\u0105cz\u0105 si\u0119 pod wp\u0142ywem bardzo wysokiej temperatury, tworz\u0105c hel w procesie fuzji nuklearnej. Przy tej reakcji powstaje niekontrolowana i samopodtrzymuj\u0105ca si\u0119 reakcja \u0142a\u0144cuchowa, kt\u00f3rej towarzyszy wyzwolenie olbrzymiej ilo\u015bci energii.<\/p>\n\n\n\n Nad tym projektem, wtedy nazwanym \u201eSuper\u201d, pracowa\u0142 znany fizyk, emigrant w\u0119gierski Edward Teller, kt\u00f3ry w trakcie ostatnich kilkunastu miesi\u0119cy istnienia Projektu Manhattan zajmowa\u0142 si\u0119 tylko i wy\u0142\u0105cznie tym tematem. Badania nad reaktorami fuzyjnymi rozpocz\u0119\u0142y si\u0119 w latach 40. XX wieku. Fuzja j\u0105drowa to potencjalna metoda wytwarzania energii elektrycznej z ciep\u0142a uwalnianego w reakcjach syntezy j\u0105drowej. W wyniku reakcji egzotermicznej powstaj\u0105cej w gwie\u017adzie wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produkt\u00f3w i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczaj\u0105cych atomach i przekszta\u0142ca si\u0119 na energi\u0119 s\u0142oneczn\u0105 i ciepln\u0105. W przeciwie\u0144stwie do obecnie stosowanej energii pochodz\u0105cej z rozszczepienia j\u0105drowego, fuzja j\u0105drowa nie wytwarza odpad\u00f3w radioaktywnych, co oznacza, \u017ce mo\u017ce by\u0107 pierwszym krokiem w kierunku zmniejszenia naszej zale\u017cno\u015bci od paliw kopalnych i stworzenia nieograniczonego, czystego \u017ar\u00f3d\u0142a energii w czasach, gdy ludzko\u015b\u0107 mierzy si\u0119 z kryzysem klimatycznym.<\/p>\n\n\n\n Wykorzystanie energii syntezy j\u0105drowej w warunkach ziemskich da\u0142oby olbrzymi\u0105 ilo\u015b\u0107 energii. Energia wytworzona w ten spos\u00f3b powinna minimalnie wp\u0142ywa\u0107 na \u015brodowisko. Ocenia si\u0119, \u017ce jeden gram mieszanki paliwowej deuteru i trytu w procesie syntezy j\u0105drowej wytwarza 90 000 kilowatogodzin energii, czyli r\u00f3wnowarto\u015b\u0107 11 ton w\u0119gla. Elektrownia w\u0119glowa o mocy 1000 MW wymaga niemal 3 milion\u00f3w ton w\u0119gla rocznie. Elektrownia fuzyjna o tej samej mocy potrzebuje do tego jedynie 125 kg deuteru i 125 kg trytu.<\/p>\n\n\n\n Deuter mo\u017cna pozyskiwa\u0107 ze wszystkich form wody, jest uzyskiwany przy produkcji \u201eci\u0119\u017ckiej wody.\u201d Tryt znacznie trudniej znale\u017a\u0107 w naturze. Rzadko\u015b\u0107 wyst\u0119powania trytu wynika z jego kr\u00f3tkiego okresu rozpadu po\u0142owicznego. Ten radioaktywny izotop wodoru powstaje w naturze tylko w g\u00f3rnych warstwach atmosfery w niewielkich ilo\u015bciach. Tryt mo\u017cna jednak wytwarza\u0107 w samym reaktorze fuzyjnym. Izotop ten powstaje w wyniku kontaktu neutron\u00f3w uciekaj\u0105cych, z wytworzonej w reaktorze plazmy, z litem tworz\u0105cym wewn\u0119trzn\u0105 os\u0142on\u0119 reaktora.<\/p>\n\n\n\n Proces syntezy wymaga ekstremalnych warunk\u00f3w, aby pokona\u0107 si\u0142y elektrostatycznego odpychania mi\u0119dzy dodatnio na\u0142adowanymi j\u0105drami. Wymagane warunki to: Ekstremalna temperatura <\/em>– paliwo musi by\u0107 podgrzane w komorze urz\u0105dzenia do temperatury rz\u0119du 100 milion\u00f3w stopni Celsjusza (ponad sze\u015bciokrotnie wi\u0119cej ni\u017c temperatura j\u0105dra S\u0142o\u0144ca), przechodz\u0105c w stan skupienia zwany plazm\u0105 (zjonizowany gaz sk\u0142adaj\u0105cy si\u0119 z wolnych elektron\u00f3w i j\u0105der atomowych). Odpowiednie ci\u015bnienie i uwi\u0119zienie<\/em> – plazma musi by\u0107 utrzymywana z dala od \u015bcian reaktora przez wystarczaj\u0105co d\u0142ugi czas, aby nie zniszczy\u0107 materia\u0142u komory.<\/p>\n\n\n\n Reakcje termoj\u0105drowe zachodz\u0105 w wyniku zbli\u017cenia si\u0119 j\u0105der na odleg\u0142o\u015b\u0107 odpowiadaj\u0105c\u0105 zasi\u0119gowi si\u0142 j\u0105drowych (ok. 1 fm), co jest mo\u017cliwe po pokonaniu elektrostatycznej bariery kulombowskiej wzajemnego odpychania j\u0105der; reakcje termoj\u0105drowe mog\u0105 wi\u0119c zachodzi\u0107 albo przy du\u017cej energii zderzaj\u0105cych si\u0119 j\u0105der, co odpowiada temperaturze rz\u0119du 10\u03150 milion\u00f3w stopni K, albo przy zniekszta\u0142ceniu bariery kulombowskiej (np. zw\u0119\u017ceniu, wyst\u0119puj\u0105cym pod olbrzymim ci\u015bnieniem panuj\u0105cym w gwiazdach, gdy g\u0119sto\u015b\u0107 materii przekracza 104 g\/cm3).<\/p>\n\n\n\n Na Ziemi, ze wzgl\u0119du na brak pot\u0119\u017cnego pola grawitacyjnego wyst\u0119puj\u0105cego w gwiazdach, stosuje si\u0119 g\u0142\u00f3wnie dwie metody syntezy j\u0105der: Magnetyczne uwi\u0119zienie<\/em> (magnetic confinemat fusion, MCF) oraz Inercyjne uwi\u0119zienie<\/em> (inertial confinement fusion, ICF).<\/p>\n\n\n\n W metodzie magnetycznego uwi\u0119zienia (MCF) wykorzystuje si\u0119 silne pola magnetyczne w urz\u0105dzeniach nazywanych tokamakami lub stellaratorami. Urz\u0105dzenia wykorzystuj\u0105 silny pr\u0105d elektryczny do rozbicia izotop\u00f3w wodoru, deuteru i trytu umieszczonych w komorze reaktora odrywaj\u0105c elektrony od j\u0105der i tworz\u0105c plazm\u0119 \u2014 gor\u0105cy, na\u0142adowany elektrycznie gaz. W plazmie elektrony s\u0105 odrywane od atom\u00f3w. Atom, w kt\u00f3rym nie ma elektron\u00f3w kr\u0105\u017c\u0105cych wok\u00f3\u0142 j\u0105dra, nazywany jest zjonizowanym i nosi nazw\u0119 jonu. W rezultacie plazma sk\u0142ada si\u0119 z jon\u00f3w i swobodnych elektron\u00f3w. Oba typy reaktor\u00f3w wykorzystuj\u0105 fakt, \u017ce na\u0142adowane cz\u0105stki reaguj\u0105 na si\u0142y magnetyczne do kontrolowania i ograniczania wytworzonej plazmy w toroidalnej komorze reaktora. Silne magnesy w reaktorach utrzymuj\u0105 jony w miejscu. Reaktor utrzymuje t\u0119 plazm\u0119, oddalaj\u0105c j\u0105 od powierzchni materia\u0142\u00f3w komory (kt\u00f3re w przeciwnym razie uleg\u0142yby zniszczeniu) za pomoc\u0105 kombinacji p\u00f3l magnetycznych o geometrii toroidalnej (kszta\u0142t p\u0105czka).<\/p>\n\n\n\n Elektrony s\u0105 r\u00f3wnie\u017c wi\u0105zane przez si\u0142y magnetyczne reaktor\u00f3w. Si\u0142y magnetyczne nieustannie obracaj\u0105 cz\u0105stki w komorach reaktora, zapobiegaj\u0105c ich ucieczce z plazmy.<\/p>\n\n\n\n G\u0142\u00f3wna komora ma kszta\u0142t torusa. Dzi\u0119ki dzia\u0142aniu elektromagnes\u00f3w tworzony jest pier\u015bcie\u0144 plazmy. Zmienne pole magnetyczne pochodz\u0105ce z transformatora indukuje pr\u0105d elektryczny w pier\u015bcieniu gazu. Pr\u0105d ten powoduje wy\u0142adowania w gazie. Zachodzi jeszcze wi\u0119ksza jego jonizacja i ogrzewanie. W ko\u0144cu tworzy si\u0119 gor\u0105ca plazma. Jest ona utrzymywana w zwartym s\u0142upie wewn\u0105trz pier\u015bcienia dzi\u0119ki silnemu polu magnetycznemu.<\/p>\n\n\n\n Gdy cz\u0105steczki plazmy zostaj\u0105 pobudzone i zderzaj\u0105 si\u0119, nagrzewaj\u0105 si\u0119, ostatecznie osi\u0105gaj\u0105c temperatur\u0119 od 100 do 300 milion\u00f3w stopni Celsjusza. W tym momencie j\u0105dra wodoru s\u0105 tak pobudzone, \u017ce mog\u0105 przezwyci\u0119\u017cy\u0107 swoj\u0105 naturaln\u0105 tendencj\u0119 do odpychania si\u0119, dzi\u0119ki czemu mog\u0105 po\u0142\u0105czy\u0107 si\u0119, tworz\u0105c hel. W tym procesie uwalniaj\u0105 ogromne ilo\u015bci energii. Utrzymanie stabilno\u015bci plazmy w celu pozyskania energii jest trudne. Jest ona chaotyczna, supergor\u0105ca i podatna na turbulencje oraz inne niestabilno\u015bci. Wsp\u00f3\u0142czesna nauka wyja\u015bni\u0142a ju\u017c wiele problem\u00f3w wp\u0142ywaj\u0105cych na zachowanie plazmy.<\/p>\n\n\n\n Eksperymentalne tokamaki pracuj\u0105 od dziesi\u0119cioleci. Do tej pory jednak wymaga\u0142y wi\u0119cej energii do wytworzenia plazmy i jej kr\u00f3tkotrwa\u0142ego podtrzymania ni\u017c generuje fuzja. Uwa\u017ca si\u0119, \u017ce wsp\u00f3\u0142cze\u015bnie budowane tokamaki pokonaj\u0105 w przysz\u0142o\u015bci to ograniczenie.<\/p>\n\n\n\n Pierwszy tokamak, T-1, rozpocz\u0105\u0142 dzia\u0142alno\u015b\u0107 w Rosji w 1958 roku. Koncepcj\u0119 tokamaka stworzyli w 1950 Igor Tamm i Andriej Sacharow. Tokamak (skr\u00f3t od rosyjskich s\u0142\u00f3w oznaczaj\u0105cych \u201etoroidalne uwi\u0119zienie magnetyczne\u201d) zosta\u0142 uruchomiony w Moskwie w po\u0142owie lat 60. XX wieku przez radzieckich fizyk\u00f3w plazmowych.<\/p>\n\n\n\n Kolejne post\u0119py doprowadzi\u0142y do budowy testowego reaktora syntezy j\u0105drowej. Tokamaki w Princeton Plasma Physics Laboratory oraz Joint European Torus w Anglii osi\u0105gn\u0119\u0142y rekordow\u0105 moc syntezy j\u0105drowej w latach 90. XX wieku. Te sukcesy zmotywowa\u0142y 35 kraj\u00f3w do wsp\u00f3\u0142pracy przy projekcie nadprzewodz\u0105cego tokamaka ITER, kt\u00f3rego celem jest zbadanie fizyki spalania plazmy. ITER-International Thermonuclear Experimental Reactor, Mi\u0119dzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termoj\u0105drowy ITER to do\u015bwiadczalny rektor fuzyjny budowany w centrum badawczym Cadarache w pobli\u017cu Marsylii, na po\u0142udniu Francji.<\/p>\n\n\n\n Konkurencyjne rozwi\u0105zanie w stosunku do tokamaka to stellarator (MS). Stellarator to toroidalne urz\u0105dzenie do ograniczania pola magnetycznego, w kt\u00f3rym transformacja obrotowa pola magnetycznego jest w g\u0142\u00f3wnej mierze spowodowana przez kszta\u0142t zewn\u0119trznych cewek pola magnetycznego. Rozwi\u0105zanie zapewnia takie zalety, jak zwi\u0119kszona stabilno\u015b\u0107 plazmy i mo\u017cliwo\u015b\u0107 jej utrzymania w stanie ustalonym przez d\u0142u\u017cszy czas w por\u00f3wnaniu do tokamak\u00f3w. Podstawowa koncepcja fizyczna le\u017c\u0105ca u podstaw uk\u0142adu magnetycznego stellaratora (MS) jest bardzo z\u0142o\u017cona, a wymagania dotycz\u0105ce dok\u0142adno\u015bci jej wdro\u017cenia s\u0105 bardziej rygorystyczne ni\u017c w przypadku tokamak\u00f3w. Ponadto, przy tych samych obj\u0119to\u015bciach plazmy, stellarator jest wi\u0119kszy ni\u017c tokamak. Z tego powodu obecnie tokamak jest uwa\u017cany za rozwi\u0105zanie lepsze, aczkolwiek stellarator ci\u0105gle jest traktowany jako jego powa\u017cne rozwi\u0105zanie konkurencyjne. Jest to jedna z g\u0142\u00f3wnych, wykorzystywanych obecnie, metod produkcji energii z fuzji j\u0105drowej. Zasada dzia\u0142ania ICF (rys. 9) polega na napromieniowaniu milimetrowej kulistej kapsu\u0142y wype\u0142nionej deuterem i trytem (DT) promieniowaniem o bardzo du\u017cej mocy przez kilka nanosekund przy pomocy wielu wi\u0105zek promieniowania laserowego. Jako paliwo wykorzystywane s\u0105 izotopy wodoru: deuter i tryt. Odparowanie zewn\u0119trznej powierzchni kapsu\u0142y spowodowane dzia\u0142aniem promieni lasera prowadzi do spr\u0119\u017cenia paliwa deuter-tryt. To odparowanie powoduje ogromne ci\u015bnienie wewn\u0119trzne, kt\u00f3re \u015bciska paliwo do ekstremalnych g\u0119sto\u015bci i temperatur wywo\u0142uj\u0105c temperatury (~100 milion\u00f3w K) wystarczaj\u0105cych do zainicjowania reakcji syntezy j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n W przypadku paliwa DT wi\u0119kszo\u015b\u0107 energii uwalniana jest w postaci cz\u0105stek alfa i neutron\u00f3w. W normalnych warunkach cz\u0105stki alfa mog\u0105 przemieszcza\u0107 si\u0119 przez paliwo na odleg\u0142o\u015b\u0107 oko\u0142o 10 mm, ale w warunkach ultrag\u0119stego spr\u0119\u017conego paliwa mog\u0105 one przemieszcza\u0107 si\u0119 na odleg\u0142o\u015b\u0107 oko\u0142o 0,01 mm, zanim ich \u0142adunek elektryczny, oddzia\u0142uj\u0105c z otaczaj\u0105c\u0105 plazm\u0105, spowoduje utrat\u0119 pr\u0119dko\u015bci. Wi\u0119kszo\u015b\u0107 energii uwalnianej przez cz\u0105stki alfa jest ponownie gromadzona w paliwie. Ten transfer energii kinetycznej podgrzewa otaczaj\u0105ce cz\u0105stki do energii niezb\u0119dnej do syntezy j\u0105drowej wywo\u0142uj\u0105c temperatury (~100 milion\u00f3w K) wystarczaj\u0105ce do zainicjowania reakcji syntezy j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n Proces ten powoduje, \u017ce paliwo termoj\u0105drowe spala si\u0119 w kierunku na zewn\u0105trz od \u015brodka. Neutralne elektrycznie neutrony przemieszczaj\u0105 si\u0119 na wi\u0119ksze odleg\u0142o\u015bci w masie paliwa i nie przyczyniaj\u0105 si\u0119 do procesu samonagrzewania. Wytworzone cz\u0105stki alfa s\u0105 nast\u0119pnie ponownie absorbowane w plazmie, co dodatkowo podnosi jej temperatur\u0119 i wywo\u0142uje du\u017c\u0105 reakcj\u0119 syntezy j\u0105drowej, kt\u00f3ra mo\u017ce zu\u017cy\u0107 znaczn\u0105 cz\u0119\u015b\u0107 paliwa DT. Osi\u0105gni\u0119cie tego stanu spalania plazmy wymaga niezwykle symetrycznego napromieniowania i bardzo \u015bcis\u0142ej tolerancji kapsu\u0142y.<\/p>\n\n\n\n Prowadzone eksperymenty nie umo\u017cliwiaj\u0105 wytwarzania energii w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y, to tylko pr\u00f3by laboratoryjne. Wed\u0142ug uproszczonego schematu dzia\u0142ania przysz\u0142a elektrownia fuzyjna b\u0119dzie dzia\u0142a\u0107 zgodnie z zasad\u0105 przedstawion\u0105 na rys. 10.<\/p>\n\n\n\n Kapsu\u0142a wype\u0142niona (oko\u0142o) jednym mg deuteru i trytu jest dostarczana do komory reakcyjnej, gdzie jest napromieniowywana r\u00f3wnocze\u015bnie wieloma wi\u0105zkami laserowymi o energii megad\u017culi. Implozja kapsu\u0142y mo\u017ce doprowadzi\u0107 do spalania nawet 30% DT, co prowadzi do uwolnienia ponad 100 MJ. Powtarzanie tego procesu wielokrotnie na sekund\u0119 spowoduje wygenerowanie \u015bredniej mocy rz\u0119du gigawat\u00f3w, g\u0142\u00f3wnie w postaci szybkich neutron\u00f3w (14,3 MeV). Po osi\u0105gni\u0119ciu warunk\u00f3w fuzji, wydzielana jest energia w postaci energii kinetycznej produkt\u00f3w reakcji (g\u0142\u00f3wnie neutron\u00f3w i j\u0105der helu). Energia neutron\u00f3w jest nast\u0119pnie poch\u0142aniana przez tzw. \u201ep\u0142aszcz\u201d (ang. blanket) otaczaj\u0105cy rdze\u0144 reaktora, kt\u00f3ry si\u0119 nagrzewa. Ciep\u0142o to mo\u017ce by\u0107 wykorzystane do wytwarzania pary, nap\u0119dzaj\u0105cej turbozespo\u0142y generator\u00f3w energii elektrycznej lub jako ciep\u0142o technologiczne w pewnych obszarach gospodarki.<\/p>\n\n\n\n Obecnie reaktory fuzyjne wci\u0105\u017c s\u0105 na etapie badawczym, a najwi\u0119kszym wyzwaniem pozostaje osi\u0105gni\u0119cie dodatniego bilansu energetycznego (produkcja wi\u0119kszej ilo\u015bci energii ni\u017c zu\u017cywanej do podgrzania i utrzymania plazmy) w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y i op\u0142acalny ekonomicznie. Fuzja j\u0105drowa uwa\u017cana jest obecnie do najbardziej przyjaznych dla \u015brodowiska \u017ar\u00f3de\u0142 energii. Proces syntezy j\u0105drowej nie powoduje emisji CO2, innych szkodliwych gaz\u00f3w ani py\u0142\u00f3w do atmosfery. Synteza j\u0105drowa nie przyczynia si\u0119 do emisji gaz\u00f3w cieplarnianych ani globalnego ocieplenia. Dwa \u017ar\u00f3d\u0142a paliwa, wod\u00f3r i lit, s\u0105 powszechnie dost\u0119pne w wielu cz\u0119\u015bciach \u015bwiata i \u0142atwe do pozyskania. Cho\u0107 fuzja jest z natury bezpieczniejsza ni\u017c rozszczepienie j\u0105drowe, nie jest ca\u0142kowicie pozbawiona problem\u00f3w. Neutrony wyzwalane w procesie fuzji mog\u0105 degradowa\u0107 materia\u0142y reaktora, zmniejszaj\u0105c ich wytrzyma\u0142o\u015b\u0107, powoduj\u0105c krucho\u015b\u0107, itp. Z biegiem czasu neutrony mog\u0105 skutecznie napromieniowa\u0107 reaktor i otaczaj\u0105ce go materia\u0142y. Proces ten zale\u017cy w du\u017cej mierze od zastosowanych rozwi\u0105za\u0144 konstrukcyjnych i u\u017cytych materia\u0142\u00f3w. Dodatkowo, tryt, kt\u00f3ry jest lekko radioaktywnym paliwem, wymaga ostro\u017cnego obchodzenia si\u0119 z nim, aby nie powsta\u0142y jego wycieki. Obecnie testowane laboratoryjnie urz\u0105dzenia fuzyjne wytwarzaj\u0105 ponad dziesi\u0119\u0107 megawat\u00f3w energii z fuzji ale przez bardzo kr\u00f3tki czas. Budowany ITER b\u0119dzie w stanie wytworzy\u0107 500 megawat\u00f3w energii z fuzji. Chocia\u017c jest to moc elektrowni zawodowych nadal istniej\u0105 pewne problemy technologiczne do rozwi\u0105zania, zanim komercyjna elektrownia b\u0119dzie mog\u0142a dzia\u0142a\u0107.<\/p>\n\n\n\n Dost\u0119p do komercyjnej energii fuzyjnej to nadal kwestia przysz\u0142o\u015bci, ale tempo post\u0119pu w tej dziedzinie zdecydowanie wzros\u0142o w ostatnich latach. Optymistyczne prognozy sugeruj\u0105, \u017ce pierwsze komercyjne reaktory termoj\u0105drowe mog\u0105 zacz\u0105\u0107 dzia\u0142a\u0107 w latach 40. XXI wieku.<\/p>\n\n\n\n Prywatne firmy pracuj\u0105 nad bardziej kompaktowymi i wydajnymi rozwi\u0105zaniami, kt\u00f3re mog\u0105 przyspieszy\u0107 wdro\u017cenie tej technologii. Wed\u0142ug ekspert\u00f3w z tej bran\u017cy w perspektywie \u015brednioterminowej, czyli do 2050 roku, energia fuzyjna nie zast\u0105pi paliw kopalnych ani odnawialnych \u017ar\u00f3de\u0142 energii, poniewa\u017c wci\u0105\u017c pozostaje w fazie eksperymentalnej.<\/p>\n\n\n\n G\u0142\u00f3wne projekty badawcze to m.in.:<\/p>\n\n\n\n ITER to skr\u00f3t od Mi\u0119dzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termoj\u0105drowego (International Thermonuclear Experimental Reactor), czyli wielkoskalowego, mi\u0119dzynarodowego projektu badawczego, kt\u00f3rego celem jest zbudowanie i uruchomienie reaktora fuzyjnego w celu sprawdzenia mo\u017cliwo\u015bci produkcji energii elektrycznej z kontrolowanej syntezy j\u0105drowej. Projekt, kt\u00f3rego realizacja odbywa si\u0119 we Francji, jest jednym z najbardziej z\u0142o\u017conych i kosztownych przedsi\u0119wzi\u0119\u0107 in\u017cynieryjnych w historii.<\/p>\n\n\n\n ITER to powstaj\u0105cy najwi\u0119kszy na \u015bwiecie tokamak, maj\u0105cy na celu udowodni\u0107, \u017ce fuzja jest op\u0142acalna z naukowego i technicznego punktu widzenia (planowane pierwsze eksperymenty z plazm\u0105 w 2030 r., z D-T w 2035 r.). Reaktor fuzyjny b\u0119dzie podgrzewa\u0142 strumie\u0144 paliwa deuterowo-trytowego, tworz\u0105c plazm\u0119 wysokotemperaturow\u0105. Moc potrzebna do rozpocz\u0119cia reakcji syntezy j\u0105drowej wyniesie oko\u0142o 70 megawat\u00f3w, ale moc wyj\u015bciowa reakcji wyniesie oko\u0142o 500 megawat\u00f3w. Reakcja syntezy j\u0105drowej b\u0119dzie trwa\u0142a od 300 do 500 sekund. (Ostatecznie b\u0119dzie to trwa\u0142a reakcja syntezy j\u0105drowej).<\/p>\n\n\n\n Koce litowe umieszczone na zewn\u0105trz komory reakcji plazmowej b\u0119d\u0105 absorbowa\u0107 wysokoenergetyczne neutrony z reakcji syntezy j\u0105drowej, wytwarzaj\u0105c wi\u0119cej paliwa trytowego. Koce b\u0119d\u0105 si\u0119 r\u00f3wnie\u017c nagrzewa\u0107 pod wp\u0142ywem neutron\u00f3w. Para wodna zostanie skroplona i zamieniona w wod\u0119, co pozwoli na poch\u0142oni\u0119cie wi\u0119kszej ilo\u015bci ciep\u0142a z reaktora w wymienniku ciep\u0142a. Tokamak ITER pocz\u0105tkowo b\u0119dzie s\u0142u\u017cy\u0142 do testowania wykonalno\u015bci reaktora termoj\u0105drowego, a ostatecznie stanie si\u0119 testow\u0105 elektrowni\u0105 termoj\u0105drow\u0105.<\/p>\n\n\n\n JET (Joint European Torus) w Wielkiej Brytanii to najwi\u0119kszy dzia\u0142aj\u0105cy tokamak, na kt\u00f3rym w lutym 2022 r. osi\u0105gni\u0119to rekordow\u0105 energi\u0119 59 megad\u017culi z fuzji w ci\u0105gu 5 sekund. Tokamak JET to eksperymentalny reaktor termoj\u0105drowy w kszta\u0142cie torusa, po\u0142o\u017cony w Culham Center for Fusion Energy w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Obiekt wykorzystuje pola magnetyczne utrzymuj\u0105ce gor\u0105cy, zjonizowany gaz (plazm\u0119) z dala od wewn\u0119trznej \u015bciany zbiornika, umo\u017cliwiaj\u0105c bezpieczn\u0105 prac\u0119 w temperaturze 150 milion\u00f3w stopni dziesi\u0119ciokrotnie wy\u017cszej ni\u017c temperatura w j\u0105drze s\u0142o\u0144ca. NIF (National Ignition Facility) w USA. Jet to plac\u00f3wka badawcza wykorzystuj\u0105ca inercyjne uwi\u0119zienie, gdzie po raz pierwszy uda\u0142o si\u0119 osi\u0105gn\u0105\u0107 naukowy pr\u00f3g zap\u0142onu (wi\u0119cej energii z fuzji ni\u017c dostarczono do paliwa).<\/p>\n\n\n\n EAST w Chinach i KSTAR w Korei Po\u0142udniowej to tokamaki, kt\u00f3re ustanowi\u0142y rekordy w d\u0142ugo\u015bci trwania stabilnej plazmy.<\/p>\n\n\n\n CFS (Commonwealth Fusion Systems) to firma, kt\u00f3ra og\u0142osi\u0142o plany budowy niedaleko Richmond w stanie Wirginia pierwszej na \u015bwiecie elektrowni fuzyjnej na skal\u0119 sieciow\u0105. CFS wybra\u0142o teren w hrabstwie Chesterfield w Wirginii jako miejsce budowy elektrowni typu ARC (skr\u00f3t od Affordable, Robust, Compact \u2013 przyst\u0119pny cenowo, wytrzyma\u0142y, kompaktowy). Celem tej elektrowni fuzyjnej jest wytwarzanie, do wczesnych lat 30. XXI wieku 400 megawat\u00f3w czystej, praktycznie nieograniczonej energii.<\/p>\n\n\n\n Reaktor o nazwie SPARC b\u0119dzie wykorzystywa\u0142 zupe\u0142nie nowy system wysokotemperaturowych magnes\u00f3w nadprzewodz\u0105cych zaprojektowanych przez CFS, aby utrzyma\u0107 supergor\u0105c\u0105 plazm\u0119 w temperaturze ponad 100 milion\u00f3w \u00b0C. Ma to by\u0107 reaktor typu tokamak.<\/p>\n\n\n\n Zespo\u0142y badawcze z Chin i Francji osi\u0105gn\u0119\u0142y rekordowe czasy stabilnych stan\u00f3w plazmy w stanowiskach fuzyjnych. Reaktor EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak \u2013 eksperymentalny nadprzewodz\u0105cy tokamak) opracowany przez Instytut Fizyki Plazmy Chi\u0144skiej Akademii Nauk, w styczniu 2025 r. utrzyma\u0142 sta\u0142\u0105 prac\u0119 plazmy o wysokim ograniczeniu przez 1066 sekund.<\/p>\n\n\n\n W ramach projektu \u201cWolfram Environment in Stead-state Tokamak\u201d, (stanowisko WEST, projekt francuski) uzyskano czas sta\u0142ej pracy plazmy wynosz\u0105cy 1337 sekund pobijaj\u0105c chi\u0144ski rekord sprzed kilku tygodni. Utrzymanie plazmy, kt\u00f3ra z natury jest niestabilna, jest jednym z najwi\u0119kszych problem\u00f3w w fuzji j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n WEST jest wyj\u0105tkowy w\u015br\u00f3d europejskich tokamak\u00f3w dzi\u0119ki nadprzewodz\u0105cym magnesom, kt\u00f3re umo\u017cliwiaj\u0105 d\u0142ugie czasy utrzymywania. Ten doskona\u0142y wynik pozwoli okre\u015bli\u0107 kierunki rozwojowe dla przysz\u0142ego wykorzystania ITER w kt\u00f3rym w przysz\u0142ej dekadzie ma by\u0107 sprawdzona mo\u017cliwo\u015b\u0107 wielkoskalowej produkcji energii z fuzji j\u0105drowej.<\/p>\n\n\n\n [1] Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Bada\u0144 Naukowych. (2007). Badania nad syntez\u0105 j\u0105drow\u0105: Opcja energetyczna dla przysz\u0142o\u015bci Europy. Raport instytucjonalny UE, ISBN 9279005138.<\/p>\n\n\n\n [2] Cook, I., Marbach, G., Di Pace, L., Girard, C., & Taylor, N. P. (2001, kwiecie\u0144). Bezpiecze\u0144stwo i wp\u0142yw fuzji na \u015brodowisko (Raport EUR (01) CCE-FU \/ FTC 8\/5).<\/p>\n\n\n\n [3] National Ignition Facility. (b.r.). National Ignition Facility. Dost\u0119p online: https:\/\/lasers.llnl.gov<\/a> (brak daty dost\u0119pu).<\/p>\n\n\n\n [4] Global Society. (b.r.). Nuclear fusion \u2013 a sustainable energy revolution: 2027 vision. Dost\u0119p online: https:\/\/www.globalsociety.earth\/post\/nuclear-fusion-a-sustainable-energy-revolution-2027-vision<\/a><\/p>\n\n\n\n [5] Fusion Energy Sciences (FES), Biuro Naukowe Departamentu Energii USA. (b.r.). Fusion Energy Sciences.<\/p>\n\n\n\n [6] Kramarek, W., & Sa\u0142aci\u0144ski, T. (2013). Podstawowe zagadnienia bezpiecze\u0144stwa elektrowni j\u0105drowej. Przegl\u0105d Techniczny, nr 24\u201325\/2013, s. 20\u201330.<\/p>\n\n\n\n [7] Kramarek, W. (2016, stycze\u0144). Warunki bezpiecznej pracy elektrowni j\u0105drowej. Mechanik. https:\/\/doi.org\/10.17814\/mechanik.2016.2.16<\/a><\/p>\n\n\n\n [8] U.S. Nuclear Regulatory Commission. (b.r.). Reading Room. Dost\u0119p online: http:\/\/www.nrc.gov\/reading<\/a><\/p>\n\n\n\n [9] European Nuclear Society. (b.r.). Pebble bed reactor. Dost\u0119p online: http:\/\/www.euronuclear.org\/info\/encyclopedia\/p\/pebble.htm<\/a><\/p>\n\n\n\n [10] Wikipedia. (b.r.). Industrial safety systems. Dost\u0119p online: http:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Industrial_safety_systems<\/a><\/p>\n\n\n\n [11] World Nuclear Association. (b.r.). Nuclear power reactors. Dost\u0119p online: https:\/\/world-nuclear.org\/information-library\/nuclear-fuel-cycle\/nuclear-power-reactors\/nuclear-power-reactors<\/a><\/p>\n\n\n\n [12] Wikipedia. (b.r.). Wybuch j\u0105drowy. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/Wybuch_j%C4%85drowy<\/a><\/p>\n\n\n\n [13] Wikipedia. (b.r.). Bro\u0144 j\u0105drowa. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/Bro%C5%84_j%C4%85drowa<\/a><\/p>\n\n\n\n [14] Wikipedia. (b.r.). SPARC (tokamak). Dost\u0119p online: https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/SPARC_(tokamak)#\/media\/File:Sparc<\/a><\/p>\n\n\n\n [15] Wikipedia. (b.r.). \u0141adunek termoj\u0105drowy. Dost\u0119p online: https:\/\/pl.wikipedia.org\/wiki\/%C5%81adunek_termoj\u0105drowy<\/a><\/p>\n\n\n\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
DOI: 10.65545\/GWITS.2026.01.06<\/strong>, GWiTS 1\/2026, stycze\u0144 2026<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n
Pierwszy na \u015bwiecie reaktor j\u0105drowy, o znikomej mocy, zwany \u201estosem atomowym,\u201d w kt\u00f3rym uzyskano kontrolowan\u0105 reakcj\u0119 \u0142a\u0144cuchow\u0105 uruchomiono w grudniu 1942 roku na uniwersytecie w Chicago. Kierownikiem projektu by\u0142 fizyk Enrico Fermi. Pierwsz\u0105 na \u015bwiecie instalacj\u0119 do wytwarzania energii elektrycznej ze \u017ar\u00f3d\u0142em ciep\u0142a w postaci reaktora j\u0105drowego uruchomiono w 1951 r. w Stanach Zjednoczonych. Powstanie bomby wodorowej w 1952 r. rozpocz\u0119\u0142o prace nad wykorzystaniem energii termonuklearnejReaktor termonuklearny, fuzyjny to reaktor j\u0105drowy realizuj\u0105cy kontrolowan\u0105 syntez\u0119 termoj\u0105drow\u0105 lekkich j\u0105der wodoru (deuteru i trytu) w wyniku kt\u00f3rej powstaje j\u0105dro helu, wolny neutron i uwalnia si\u0119 du\u017ca ilo\u015b\u0107 energii. Do poprawnego dzia\u0142ania reaktora potrzebne jest wytworzenie bardzo wysokiej temperatury powoduj\u0105cej powstanie plazmy czyli mieszaniny zjonizowanych atom\u00f3w deuteru i trytu. Potrzebne s\u0105 tak\u017ce pot\u0119\u017cne elektromagnesy maj\u0105ce na celu utrzymanie plazmy z dala od \u015bcian reaktora. Do tej pory nie uda\u0142o si\u0119 skonstruowa\u0107 reaktora fuzyjnego dzia\u0142aj\u0105cego efektywnie, tj. daj\u0105cego zysk energii i dzia\u0142aj\u0105cego w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y.Obecnie trwaj\u0105ce projekty reaktor\u00f3w termonuklearnych to m.in. ITER (Mi\u0119dzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny) we Francji i EAST (ang. The Experimental Advanced Superconducting Tokamak) w Chinach.<\/p>\n\n\n\n
The world\u2019s first low-power nuclear reactor, called an \u201eatomic pile,\u201d in which a controlled chain reaction was achieved, was launched in December 1942 at the University of Chicago. Manager of project was Enrico Fermi, famous physicist. The world\u2019s first electricity-generating installation with a nuclear reactor as a heat source was launched in 1951 in the United States. The development of the hydrogen bomb in 1952 initiated work on the use of thermonuclear energy. A thermonuclear fusion reactor is a nuclear reactor that carries out controlled thermonuclear fusion of light hydrogen nuclei (deuterium and tritium), resulting in the formation of a helium nucleus, a free neutron and the release of a large amount of energy. For the reactor to function properly, it is necessary to generate a very high temperature that causes the formation of plasma, i.e. a mixture of ionized deuterium and tritium atoms. Powerful electromagnets are also needed to keep the plasma away from the reactor walls. To date, it has not been possible to construct a fusion reactor that operates efficiently, i.e. produces energy gains and operates continuously. Current thermonuclear reactor projects, among others, include ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in France and EAST (The Experimental Advanced Superconducting Tokamak) in China.<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n1. Wprowadzenie w energetyk\u0119 j\u0105drow\u0105<\/h3>\n\n\n\n
Wraz z post\u0119pem bada\u0144 atomowych ros\u0142y w obozie aliant\u00f3w obawy dotycz\u0105ce programu nazistowskich Niemiec, kt\u00f3ry m\u00f3g\u0142by wykorzysta\u0107 energi\u0119 atomu do opracowania broni o ogromnej sile ra\u017cenia. 2 sierpnia 1939 r. Einstein po rozmowie z Szilardem podpisa\u0142 list skierowany do prezydenta USA Franklina D. Roosevelta, ostrzegaj\u0105c go przed militarnymi zastosowaniami nowego \u017ar\u00f3d\u0142a energii i potencjalnym projektem budowy broni j\u0105drowej w nazistowskich Niemczech. Bior\u0105c pod uwag\u0119 ostrze\u017cenie prezydent Franklin Delano Roosevelt podj\u0105\u0142 decyzj\u0119 o uruchomieniu w 1942 r. programu Manhattan nosz\u0105cego oficjaln\u0105 nazw\u0119 Manhattan Engineering District. By\u0142 to ameryka\u0144ski rz\u0105dowy, tajny program badawczy, kt\u00f3rego celem by\u0142o uzyskanie energii j\u0105drowej i wykorzystanie jej do produkcji nowego typu broni czyli bomby atomowej.<\/p>\n\n\n\n
Program mia\u0142 te\u017c swoj\u0105 cz\u0119\u015b\u0107 zmierzaj\u0105c\u0105 do opracowania sposob\u00f3w niedestrukcyjnego u\u017cycia energii atomowej, dzi\u0119ki czemu opracowano konstrukcje i wyprodukowano pierwszy reaktor j\u0105drowy. Wykorzystywa\u0142 on (podobnie jak obecnie dzia\u0142aj\u0105ce reaktory) reakcje rozszczepienia j\u0105der atomowych. Pierwszy reaktor (uranowo-grafitowy), Chicago Pile no. 1 (\u201eStos chicagowski nr 1\u201d, CP-1) o ma\u0142ej mocy zbudowany zosta\u0142 na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem w\u0142oskiego uczonego Enrica Fermiego. Pierwsza kontrolowana reakcja \u0142a\u0144cuchowa zosta\u0142a w nim zapocz\u0105tkowana 2 grudnia 1942.
16 lipca 1945 r. przeprowadzono pierwszy w historii testowy wybuch bomby atomowej (\u201eGad\u017cet\u201d \/ \u201eTrinity\u201d) w stanie Nowy Meksyk, a nied\u0142ugo potem zrzucono dwie bomby na japo\u0144skie miasta Hiroszim\u0119 i Nagasaki, co przyspieszy\u0142o zako\u0144czenie wojny.<\/p>\n\n\n\n
Po zako\u0144czeniu II wojny \u015bwiatowej wydawa\u0142o si\u0119 , \u017ce nie b\u0119dzie potrzeby zbudowania bomby wodorowej. Dopiero pierwszy udany test broni j\u0105drowej w wykonaniu Rosjan, w 1949 r., przekona\u0142 Amerykan\u00f3w, i\u017c istnieje potrzeba doko\u0144czenia tego projektu. Problem polega\u0142 na tym, \u017ce Teller oraz inni fizycy nie potrafili zaprojektowa\u0107 tego typu uzbrojenia. Prze\u0142omem okaza\u0142y si\u0119 dopiero rozwi\u0105zania polskiego matematyka, pracuj\u0105cego w USA wsp\u00f3\u0142pracownika Tellera, Stanis\u0142awa Ulama, dzi\u0119ki czemu ostatecznie uda\u0142o si\u0119 stworzy\u0107 t\u0105 bro\u0144.
Ulam wpad\u0142 na pomys\u0142, aby ukierunkowa\u0107 fal\u0119 uderzeniow\u0105 mechanicznego wybuchu j\u0105drowego w celu skompresowania paliwa fuzyjnego. Zalety tego rozwi\u0105zania szybko dostrzeg\u0142 Teller, a nied\u0142ugo p\u00f3\u017aniej wykorzysta\u0142 je do zbudowania dzia\u0142aj\u0105cego \u0142adunku termoj\u0105drowego, kt\u00f3ry dzi\u015b jest cz\u0119sto opisywany mianem \u201ekonstrukcji Tellera-Ulama\u201d.<\/p>\n\n\n\n2. Reaktory fuzyjne<\/h3>\n\n\n\n
Reaktor fuzyjny to urz\u0105dzenie, kt\u00f3re ma na celu kontrolowane wytwarzanie energii poprzez syntez\u0119 (fuzj\u0119) lekkich j\u0105der atomowych izotop\u00f3w wodoru (deuteru i trytu) w ci\u0119\u017csze j\u0105dra (helu), na\u015bladuj\u0105c procesy zachodz\u0105ce w S\u0142o\u0144cu i innych gwiazdach.<\/p>\n\n\n\n
Obecny \u015bwiat stara si\u0119 obecnie szybko dekarbonizowa\u0107 i przyspieszy\u0107 przej\u015bcie od paliw kopalnych, kt\u00f3re zu\u017cywaj\u0105 ogromne ilo\u015bci energii, na rzecz odnawialnych \u017ar\u00f3de\u0142 energii, takich jak energia s\u0142oneczna, wiatrowa i wodna. \u0179r\u00f3d\u0142a te w sytuacjach braku s\u0142o\u0144ca i wiatru nie zapewniaj\u0105 \u017cadnych dostaw energii. Niekt\u00f3re kraje stawiaj\u0105 na energi\u0119 pochodz\u0105c\u0105 z rozszczepienia j\u0105drowego, kt\u00f3ra jest niskoemisyjna, ale wi\u0105\u017ce si\u0119 z niewielkim, cho\u0107 nie pomijalnym, ryzykiem katastrofy, problemami ze sk\u0142adowaniem odpad\u00f3w radioaktywnych i wysokimi kosztami.<\/p>\n\n\n\n3. Zasada dzia\u0142ania<\/h3>\n\n\n\n
4. Magnetyczne uwi\u0119zienie<\/h3>\n\n\n\n
Skr\u0119canie magnes\u00f3w mo\u017ce nada\u0107 im kszta\u0142t helisy (tr\u00f3jwymiarowa krzywa w kszta\u0142cie skr\u0119conej spr\u0119\u017cyny lub \u015bruby) bez konieczno\u015bci u\u017cycia transformatora \u2013 taki rodzaj konfiguracji nazywa si\u0119 stellaratorem.<\/p>\n\n\n\n
Stellaratory pracuj\u0105 bardziej stabilnie ni\u017c tokamaki i umo\u017cliwiaj\u0105 prac\u0119 ci\u0105g\u0142\u0105, podczas gdy tokamaki s\u0105 lepsze w utrzymywaniu wysokiej temperatury plazmy, ale pracuj\u0105 w trybie impulsowym. G\u0142\u00f3wna r\u00f3\u017cnica polega na tym, \u017ce stellaratory u\u017cywaj\u0105 skomplikowanych, zewn\u0119trznych cewek magnetycznych do tworzenia pola w kszta\u0142cie torusa, podczas gdy tokamaki wykorzystuj\u0105 wi\u0119kszy pr\u0105d przep\u0142ywaj\u0105cy przez sam\u0105 plazm\u0119 do stworzenia pola.<\/p>\n\n\n\n5. Fuzja inercyjna, Inertial confinement fusion, ICF<\/h3>\n\n\n\n
W przeciwie\u0144stwie do uwi\u0119zienia magnetycznego, metoda ta nie utrzymuje plazmy przez d\u0142ugi czas, ale u\u017cywa inercji i gwa\u0142townego impulsu do jej skompresowania.<\/p>\n\n\n\n6. Obecny stan rozwoju i wyzwania energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
MAEA (Mi\u0119dzynarodowa Agencja Energii Atomowej) od lat odgrywa kluczow\u0105 rol\u0119 w mi\u0119dzynarodowych badaniach nad syntez\u0105 j\u0105drow\u0105. W 1960 roku MAEA uruchomi\u0142a czasopismo \u201eNuclear Fusion\u201d, aby wymienia\u0107 si\u0119 informacjami na temat post\u0119p\u00f3w w dziedzinie syntezy j\u0105drowej. Pierwsza mi\u0119dzynarodowa konferencja MAEA po\u015bwi\u0119cona energii syntezy j\u0105drowej odby\u0142a si\u0119 w 1961 roku, a od 1974 roku MAEA organizuje konferencj\u0119 co dwa lata, aby wspiera\u0107 dyskusj\u0119 na temat rozwoju i osi\u0105gni\u0119\u0107 w tej dziedzinie.<\/p>\n\n\n\n7. Zalety energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
W wyniku przebiegu fuzji j\u0105drowej nie powstaj\u0105 \u017cadne d\u0142ugo\u017cyciowe odpady radioaktywne. Proces ten jest przeciwie\u0144stwem rozszczepienia j\u0105drowego opartego na uranie lub plutonie w wyniku kt\u00f3rego powstaj\u0105 niestabilne j\u0105dra; niekt\u00f3re z nich s\u0105 radioaktywne przez tysi\u0105ce lat emituj\u0105c szkodliwe dla \u015brodowiska promieniowanie.
Reaktor termoj\u0105drowy produkuje hel, kt\u00f3ry jest gazem oboj\u0119tnym. Produkuje r\u00f3wnie\u017c i zu\u017cywa tryt w elektrowni w obiegu zamkni\u0119tym. Tryt jest radioaktywny (emiter beta), ale jego okres p\u00f3\u0142trwania jest kr\u00f3tki. Jest on u\u017cywany tylko w niewielkich ilo\u015bciach, wi\u0119c w przeciwie\u0144stwie do d\u0142ugo\u017cyciowych j\u0105der radioaktywnych, nie mo\u017ce stanowi\u0107 powa\u017cnego zagro\u017cenia.
Produkcja energii z fuzji j\u0105drowej nie opiera si\u0119 na reakcji \u0142a\u0144cuchowej, tak jak rozszczepienie. Aby zachodzi\u0142a reakcja syntezy wytworzona plazma musi by\u0107 utrzymywana w bardzo wysokiej temperaturze, wymagaj\u0105c zewn\u0119trznych system\u00f3w grzewczych i musi by\u0107 utrzymywana w zewn\u0119trznym polu magnetycznym. Zmiana konfiguracji roboczej reaktora powoduje sch\u0142odzenie plazmy lub utrat\u0119 jej szczelno\u015bci. W przypadku powstania takiej sytuacji reaktor automatycznie zatrzyma\u0142by si\u0119 w ci\u0105gu kilku sekund, poniewa\u017c proces syntezy zosta\u0142by zatrzymany, bez \u017cadnych skutk\u00f3w zewn\u0119trznych. W \u015bwietle obecnej wiedzy reaktory fuzyjne s\u0105 uwa\u017cane z natury za bezpieczne.<\/p>\n\n\n\n8. Problemy energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
Zagadnienia te stanowi\u0105 powa\u017cne wyzwania dla przysz\u0142ych eksperyment\u00f3w z fuzj\u0105.<\/p>\n\n\n\n9. Prognozy dost\u0119pno\u015bci energetyki fuzyjnej<\/h3>\n\n\n\n
10. Istniej\u0105ce badawcze rozwi\u0105zania<\/h3>\n\n\n\n
10. 1. ITER<\/h5>\n\n\n\n
Przy projektowaniu ITER przyj\u0119to za\u0142o\u017cenie \u017ce urz\u0105dzenie w du\u017cej skali stwarza wi\u0119kszy potencja\u0142 dla reakcji syntezy j\u0105drowej. Moc wyj\u015bciowa w takiej skali ro\u015bnie poprawiaj\u0105c zarazem wydajno\u015b\u0107 urz\u0105dzenia. Je\u015bli ITER b\u0119dzie dzia\u0142a\u0142 zgodnie z planem po osi\u0105gni\u0119ciu pe\u0142nej sprawno\u015bci w 2035 roku, zu\u017cyje 50 megawat\u00f3w mocy wej\u015bciowej, aby wygenerowa\u0107 500 megawat\u00f3w energii z syntezy j\u0105drowej w postaci ciep\u0142a. Chocia\u017c ITER nie b\u0119dzie wykorzystywa\u0142 tej energii do wytwarzania energii elektrycznej, ma on s\u0142u\u017cy\u0107 jako do\u015bwiadczalny model reaktora fuzyjnego w celu rozwi\u0105zania wielu problem\u00f3w naukowych.<\/p>\n\n\n\n
Ciep\u0142o b\u0119dzie przekazywane przez p\u0119tl\u0119 ch\u0142odzenia wodnego do wymiennika ciep\u0142a w celu wytworzenia pary.
Para b\u0119dzie nap\u0119dza\u0107 turbiny elektryczne produkuj\u0105ce energi\u0119 elektryczn\u0105.<\/p>\n\n\n\n10. 2. JET<\/h5>\n\n\n\n
Rdzeniem reaktora jest komora pr\u00f3\u017cniowa, w kt\u00f3rej plazma termoj\u0105drowa jest utrzymywana za pomoc\u0105 silnych p\u00f3l magnetycznych. W obecnej konfiguracji g\u0142\u00f3wny i mniejszy promie\u0144 torusa plazmowego wynosz\u0105 odpowiednio 3 i 0,9 metra, a ca\u0142kowita obj\u0119to\u015b\u0107 plazmy wynosi 90 metr\u00f3w sze\u015bciennych. Divertor zlokalizowany na dnie komory pr\u00f3\u017cniowej umo\u017cliwia kontrolowane odprowadzanie uciekaj\u0105cego ciep\u0142a i gazu.<\/p>\n\n\n\n10. 3. NIF<\/h5>\n\n\n\n
10. 4. EAST<\/h5>\n\n\n\n
10. 5. CFS<\/h5>\n\n\n\n
10. 6. WEST and EAST<\/h5>\n\n\n\n
11. Literatura<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\n