ITER: druga po Stacji Kosmicznej najdroższa inwestycja naukowa na świecie

Koszty budowy centrów superkomputerowych, a także liczby jakie padają przy podsumowaniu ich działania, są niczym w porównaniu z największymi inwestycjami naukowymi. Najdroższa jest oczywiście Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Na drugim miejscu znajduje się najdroższy z budowanych bezpośrednio na Ziemi kompleksów naukowych. Budowa ITER, czyli Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego, wymagała połączenia wysiłku USA, UE, Chin, Indii, Japonii i Rosji. Koszt budowy szacowany jest na co najmniej 13 miliardów euro. Sprawność energetyczna reaktora ma być równa 10. To pierwszy reaktor, który wygeneruje więcej energii niż pochłonie na swoje działanie.

Inwestycje poniesione podczas budowy stacji kosmicznej były dziesięciokrotnie wyższe, a z kolei budowa LHC to dwa razy mniejsze koszty. Trzeba jednak pamiętać, że CERN już dysponował dużą częścią infrastruktury, która wcześniej była wykorzystywana w projekcie LEP. Ciekawostką jest fakt, że ITER powstaje we francuskim Cadarache, skąd do CERNu jest tylko 350 kilometrów.

Historia związana z fuzją termojądrową wykorzystującą uwięzienie plazmy w polu magnetycznym, a w szczególności z jednym w z podstawowych narzędzi potrzebnych do jej kontrolowania, tokamakiem, zaczyna się w 1954 roku w Związku Radzieckim. Przez kilkadziesiąt lat badania prowadzone były przez różnorodne ośrodki naukowe na całym świecie, wybudowano w tym celu ponad 200 tokamaków, z których kilkadziesiąt działa dotychczas.

Budowa ITER to także długie rozmowy przedstawicieli państw i instytucji zaangażowanych w projekt.

Najpotężniejszym obecnie tokamakiem jest zlokalizowany w Wielkiej Brytanii w Culham JET (Joint European Torus), który uruchomiono ponad 20 lat temu. Pozwala on wygenerować około 16 MW. To około 30 razy mniej niż planowana wydajność ITER, który ma być zwieńczeniem ogólnoświatowych badań. Ten na każde 50 MW dostarczonej energii wygeneruje 500 MW w postaci ciepła powstającego w procesie kontrolowanej fuzji termojądrowej.

W przypadku ITER komora próżniowa o kształcie torusa, w której znajdzie się plazma ma wymiary 16 m (szerokość) na 11 metrów (wysokość). Wytworzenie akceptowalnej próżni w jej wnętrzu zajmie około dwóch dni. Wydaje się to niewiele, ale poniższa ilustracja pokazuje, że będzie to niemała konstrukcja. A tokamak to tylko jeden z elementów całego kompleksu ITER. Samo przygotowanie fundamentów pod kompleks Tokamaku (w którym znajdzie się tokamak i cała dodatkowa aparatura) zajmie ponad dwa lata. Ten etap budowy zakończy się pod koniec bieżącego roku. Tokamak będzie umieszczony na specjalnym podłożu, które jest w stanie absorbować wibracje powstające w wyniku ruchów sejsmicznych podłoża. Nie dziwi zatem ogromna liczba japońskich robotników na zdjęciach z budowy.

Plac budowy w Cadarache podczas wykonywania podbudowy pod budynek reaktora.

Elementy wysokości 1,5 metra mają pełnić rolę amortyzatorów dla całej konstrukcji tokamaku.

Fundament już prawie gotowy do kolejnego etapu budowy.

Dwa tygodnie temu oficjalnie ogłoszono rozpoczęcie budowy całego kompleksu. Ukończona zostanie ona w 2019 roku, a pierwsze testy z plazmą rozpoczną się rok później.

Czym jest sam projekt ITER? Jak można przekonać się z opisu nie jest to komercyjny projekt elektrowni termojądrowej, a eksperyment naukowy, który ma stanowić przedpole do masowego wdrożenia technologii kontrolowanej fuzji na świecie. Produkcja energii w reaktorach fuzyjnych będzie zachodziła poprzez wychwyt wysokoenergetycznych neutronów w obszarze izolatora ochronnego i przetworzenie powstałego w ten sposób ciepła na zdatną do transportu formę energii. W eksperymentalnej wersji ITER energia nie jest produkowana, a powstałe ciepło absorbowane całkowicie przez chłodziwo.

Przekrój przez tokamak. Dla porównania skali sylwetka człowieka.

Cały tokamak będzie zamknięta w kriostacie. Wymusza to konieczność utrzymania nadprzewodzących elektromagnesów w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego.

Powód wydawania tak ogromnych pieniędzy na tę inwestycję jest prosty. Nie możemy być uzależnieni od paliw kopalnych, szukamy zatem innych alternatywnych rozwiązań. Jednym z nich jest fuzja termojądrowa, podpowiedź samej natury. W podobny sposób, choć w innym cyklu reakcji, wytwarzana jest energia w Słońcu. Procesy zachodzące na poziomie jąder atomów, które prowadzą do zamiany masy na energię są najefektywniejsze. Niestety równie trudne do opanowania i  przez wiele środowisk uznawane za zbyt niebezpieczne.

Testowe centrum sterowania reaktorem w Anglii.

Inwestycja ITER w liczbach najlepiej pokazuje rozmach przedsięwzięcia:

• wysokość budynku reaktora: 73 metry (z tego 13 metrów pod powierzchnią gruntu)
• stal zużyta na podstawę reaktora : 7400 ton
• objętość betonu w fundamentach: 124 000 metrów sześciennych
• waga tokamaku: 23 000 ton (dwa razy więcej niż wieża Eiffla)
• waga całego kompleksu Tokamaku: 360 000 ton
• objętość komory próżniowej w tokamaku: 1400 metrów sześciennych
• objętość plazmy: 860 metrów sześciennych
• waga pojedynczego elektromagnesu: 360 ton
• paliwo: mieszanka wodoru i trytu w proporcjach 1:1
• temperatura plazmy: 150 milionów stopni C (10 razy więcej niż w centrum Słońca)
• temperatura na zewnątrz komory próżniowej: 240 stopni C (w odległości kilku metrów)
• energia potrzebna do podgrzania plazmy: 50 MW
• sprawność reaktora: 10
• ciepło generowane przez reaktor: 500 MW
• ciepło generowane przez reaktor w fazie zapłonu plazmy: 1100 MW
• wymiary kriostatu w którym umieszczone są nadprzewodzące elektromagnesy: 29,3 m wysokości i 28,6 m średnicy
• waga elektromagnesów: 10 000 ton
• temperatura pracy elektromagnesów: 4 K (-269 stopnie C)
• liczba cewek nadprzewodzących: 18 (pole toroidalne) i 6 (pole poloidalne)
• wytwarzane pole elektromagnetyczne przez elektromagnesy toroidalne: 13 T (tesli, porównywalne z polem generowanym podczas badania rezonansem magnetycznym)
• długość okablowania cewek: 80 000 kilometrów (ponad dwa razy więcej niż obwód Ziemi)
• izolacja wewnętrznej komory plazmowej: 440 płytek o wadze do 4,6 tony każda

Następny krok? Gdy eksperymenty z ITER się powiodą, naukowcy liczą że nabyte doświadczenia, pozwolą na budowę w pełni przydatnych do produkcji energii reaktorów. Ma to mieć miejsce około 2030-2040 roku.

Źródło: ITER