G R A G I E Ł D O W A.

niedziela, 11 kwietnia 2010

Energetyka.


Dzisiejsze rozważania będą miały bardziej futurystyczny charakter.
W kwietniowym Świecie Nauki pojawił się artykuł p.t. "Co z tą fuzją ?", traktujący o świętym Gralu energetyki jądrowej (i energetyki w ogóle) fuzji jądrowej lub inaczej energetyki termojądrowej.
Warto sobie zadać pytanie, czy można na tym zrobić dobry interes ? Czy warto zainwestować w takie przedsięwzięcie licząc, że będzie to jeden z tych "złotych strzałów", który przy inwestycji powiedzmy usd 1000 po 20 latach przyniesie zysk rzędu dziesiątek tysięcy dolarów, podobnie, jak to miało miejsce w przypadku niektórych, dzisiejszych gigantów Doliny Krzemowej - Microsoft lub Apple ?
Wiemy już, że w Polsce powstanie tradycyjna elektrownia jądrowa i że zbuduje ją PGE. Czy jednak spółka powinna się zaangażować w badania nad fuzją jądrową ?
Przyjrzyjmy się bliżej owej fuzji.


W dużym uproszczeniu, oba sposoby wywarzania energii elektrycznej polegają na wykorzystaniu energii cieplnej do podgrzania pary wodnej, która potem zostaje wtłoczona pod dużym ciśnieniem do turbiny parowej, która napędza generator prądu elektrycznego. Jest to więc nowocześniejsza wersja starej, dobrej lokomotyw lub maszyny parowej wymyślonej w XVIII wieku przez Jamesa Watta.
Czym jednak elektrownia stosująca fuzję jądrową (elektrownia syntezowa) różni się od "zwykłej" elektrowni atomowej? Ano różni się sposobem wytwarzania owej energii.

W tej pierwszej pręty zawierające paliwo uranowe zanurzane są w wodzie, która w drodze reakcji promieniotwórczych podgrzewana jest do wysokiej temperatury. Pręty paliwowe wypalają się emitując promieniowanie radioaktywne i ciepło (podgrzewające wodę) w wyniku, czego uran przeobraża się w inne izotopy oraz pierwiastki, które są już tylko odpadami radioaktywnymi, nienadającymi się dla celów energetycznych -  bardzo trującymi i niebezpiecznymi. Problemem jest fakt, że nie można ich łatwo zutylizować, ponieważ pozostają śmiertelnie niebezpieczne przez setki i tysiące lat, więc trzeba je zatapiać w betonowych pojemnikach, które należy wrzucić do jakiejś głębokiej dziury - im bliżej jądra Ziemi, tym lepiej :).

W przypadku fuzji jądrowej mamy do czynienia z reakcją, podobną do tej, która zachodzi we wnętrzu gwiazd. Izotop wodoru zwany deuterem, którego jądro składa się z protonu i neutronu oraz tryt (połączenie protonu oraz dwóch neutronów) znajdują się uwięzione w kapsułce paliwowej, wielkości ziarna pieprzu, dla porównania, (na moje oko) jeden pręt paliwowy to walec o długości mniej więcej 1,5 metra i średnicy 10-15 cm. Wspomniana kapsułka przy pomocy systemu bardzo silnych laserów w jednej, bardzo krótkiej chwili zostaje podgrzana do ok. 150 mln stopni Celsjusza, aby zbliżyć do siebie jądra obu wspomnianych peirwiastków i pokonać odpychającą je siłę elektrostatyczną. Dzięki temu zainicjowana zostaje reakcja syntezy jądrowej w wyniku, której jądra obu pierwiastków (jednego atomu deuteru i jednego atomu trytu) łączą się w jądro helu i uwalnia się jeden dodatkowy neutron, który uniesie ów nadmiar energii, który ma posłużyć (wraz z trylionami jemu podobnych) do podgrzania wody i napędzenia generatora prądu.
Dzięki elektrowniom syntezowym zniknęłaby większość problemów współczesnego świata cierpiącego na niezaspokojony głód energii. Mielibyśmy niemal czystą energię(w wyniku reakcji powstawałby obłoczek helu + pewna, bardzo niewielka, w porównaniu do tradycyjnych atomówek, ilość materiałów radioaktywnych) w nieograniczonych ilościach - deuter można pozyskać z wody morskiej, do której ma dostęp większość państw świata. Z kolei tryt można by uzyskać stosunkowo łatwo w tradycyjnych "atomówkach". Z kilku kilogramów takiego paliwa można by uzyskać tyle energii, ile niesie w sobie tankowiec załadowany po brzegi ropą naftową. Mielibyśmy zatem potężny silnik wytwarzający mnóstwo energii przy niemal zerowej emisji zanieczyszczeń, z powrzechnie dostępnego i niemal darmowego paliwa - wody, z której pozyskiwano by izotop wodoru, deuter. Prawdopodobnie Świat Zachodni "olałby" państwa arabskie i wszystkie inne roponośne regiony, bo już nie był by zależny od znajdującego się tam czarnego złota. Tamtejsze konflikty, prawdopodbnie rozpatrywano by jako kolejną, smutną klęskę humanitarną w jakimś odległym zakątku na zaognionym pypciu zadupia świata. My pewnie ze smutkiem pokiwalibyśmy głowami i wrócili do ulubionych seriali w telewizorach zasilanych niemal darmową energią pochodzącą z wody. Taki "idyliczny" scenariusz malowany jest nam już od lat 50-tych XX wieku.
Więc czemu jeszcze tego nie mamy ? Czemu nie powstał energetyczny odpowiednik Microsoft ?

Z powodu kosztów i  problemów technologicznych, które wymienię w kilku punktach.

1. Po pierwsze, żeby budowa elektrowni atomowej (syntezowej) była opłacalna i zwróciła koszt inwestycji sięgający nie setek, a miliardów dolarów musiałaby ona pracować bez przerwy: 7 dni w tygodniu, 24 godziny na dobę. To oznacza, że jej sprawność i niezawodność musiała by być tak wielka, że przez cały jej okres "życia" pracowała by bezawaryjnie przez ponad 90% owego czasu (ok. 95%). Wszystko to działo by się w ekstremalnych warunkach, w których wyrafinowany system laserów podgrzewa kapsułki paliwowe do setek milionów stopni Celsjusza.
Biorąc pod uwagę wytrzymałość współczesnych materiałów i urządzeń, które musiałyby wytrzymywać potworne temperatury przez dziesiątki lat pracy, obecnie jest to zadanie niewykonalne.

2. W prototypach elektrowni syntezowych deuter i tryt trzeba utrzymać w stanie plazmy, nad którą bardzo trudno zapanować i kontrolować, tak aby miała odpowiedni kształt, rozmiar i właściwości. Plazma ma to do siebie, że "lubi przeciekać". Jest to bardzo niestabilny stan materii, nad którym niemal nie można zapanować. To tak jakby się próbowało nadać idealnie sferyczny kształt ściskanemu balonowi - zawsze gdzieś wylezie bąbel, który "ucieknie w cholerę" i zaburzy cały układ.

3. Uzyskanie deuteru jest stosunkowo tanie i proste, wystarczy mieć wodę.
Gorzej jest z trytem. Tradycyjna elektrownia jądrowa jest w stanie wyprodukować ok. 2-3 kg tego pierwiastka w ciągu roku, a koszt tego przedsięwzięcia sięga ok. 80-120 mln usd. Elektrownia syntezowa potrzebuje około kilograma tego produktu... tygodniowo. Skąd więc wziąć ten tryt ? O tym w punkcie czwartym.

4. Wspomniałem, że energia unoszona jest przez dodatkowy neutron. Tyle, że aby tą energię odzyskać trzeba go złapać (ten neutron). Wystarczy do tego kilkumetrowa tarcza, w postaci stalowego płaszcza, który jednocześnie chroni ludzi i środowisko przed zabójczym promieniowaniem radioaktywnym. Neutron trafia w jądra atomów składających się na wspomniany stalowy płaszcz, wybijając je z sieci krystalicznej, w wyniku czego powstaje ciepło, które jest naszym źródłem energii. Niestety ta metoda sprawia, że stal staje się coraz bardziej krucha i płaszcz trzeba dość często wymieniać, w dodatku owa stal napromieniowuje się, przez co sama staje się odpadem radioaktywnym.
Acha jeszcze tryt... Można go uzyskać wykorzystując tzw. reakcję z T. Wplatając w sieć krystaliczną stalowego płaszcza atomy litu, w wyniku skomplikowanych reakcji jądrowych, można wytwarzać potrzebny tryt, który można by wtłaczać z powrotem do reaktora. Jednak sprawność owej procedury musiała by być niemal 100%, aby bilans energetyczny był dodatni i opłacalny. Dla uzmysłowienia skali problemu wspomnę tylko, że nie można by zgubić ani jednego neutronu, to tak jakby ktoś kazał Wam wymieść wszystkie atomy z podłogi w kuchni. Innymi słowy nie można by zmarnować, czy też zgubić ani jednego (niemal) atomu wytworzonego trytu.

5. Kapsułki paliwowe. Cóż prostszego jak zrobić kulkę wielkości ziarna pieprzu z odrobiną wodoru (deuteru) i trytu w środku., faktycznie nic prostszego...
Poza tym, że musi ona być idealnie sferyczna żeby została równomiernie ogrzana w całej objętości, ponieważ jakiekolwiek różnice temperatury w ogrzewanej kapsułce sprawią, że reakcja termonuklearna nie dojdzie do skutku. Dlatego też takie idealnie sferyczne kapsułki potrafi zrobić tylko kilka (na palcach jednej ręki licząc) laboratoriów na świecie. Koszt jednej kapsułki paliwowej to ok. 1 mln dolarów, a elektrownia syntezowa potrzebuje jednej kapsułki... co kilka godzin.

Nie zasnęliście jeszcze ?
Ok, to teraz kolejny fakt. Czas potrzebny na badania (nawet gdyby uzyskały one odrazu, pełne finansowanie) to ok. 30-75 lat. Po tym okresie moglibyśmy wybudować w pełni sprawną, działającą elektrownie syntezową. A co będzie za ten czas ? Tego nikt nie wie. Trwają intensywne prace nad alternatywnymi źródłami energii, takimi jak zaprzęgnięcie siły wiatru, wody, czy słońca.
Być może za te kilkadziesiąt lat, ludzie powiedzą "To świetnie, że wreszcie stworzyliście opłacalną elektrownię syntezową, ale my jej już nie potrzebujemy, mamy inne, tańsze i czystsze rozwiązania."

Oznacza to jedno, synteza jądrowa to pieśni dalekiej przyszłości. Jeśli chcecie zaryzykować inwestycję w przyszły Microsoft energetyki, rozejrzyjcie się raczej wśród spółek rozwijających technologie tzw. czystej energetyki, np. MEWPHOTON i in.
Jest to oczywiście bardzo ryzykowna inwestycja, biorąc pod uwagę, fakt iż technologie czystej energii są cały czas jeszcze w powijakach i nie wiadomo czy, ani kto wygra wyścig o stworzenie opłacalnej technologii, która zastąpi tradycyjne paliwa kopalne.

Jednakże jeśli ktoś będzie was namawiał na inwestowanie w elektrownie syntezową, lepiej odmówcie, albowiem narazicie się na jeszcze większe ryzyko niż inwestowanie we wspomnianą "czystą energetykę":). Póki co jesteśmy skazani na tradycyjne źródła energii, takie jak np. ropa naftowa, o czym pisałem tutaj ,czy też tradycyjne atomówki, dlatego wierzę, że inwestycja w taką spółkę jak PGE, to niezły składnik przyszłego funduszu emerytalnego. Zaś w ramach dywersyfikacji oraz inwestycji w przyszłość można zaryzykować część kapitału inwestując w przedsiębiorstwa rozwijające technologie czystej energii.

Ja póki co, obserwuję spółkę MEW, budującą małe elektrownie wodne, i przymierzam się do kupowania akcji PGE, która jest wielkim, stabilnym dinozaurem tradycyjnej energetyki. Co się zaś tyczy MEW i małych elektrowni wodnych, to postaram się o tym napisać w kolejnym wpisie.

3 komentarze:

  1. Świetny, ekspercki i wielce pouczający wpis!

    Problem pozyskiwania energii jest interesujący. Ciekaw jestem, jakie źródło energii będzie dominować, kiedy ja przejdę na emeryturę.

    Za spółkami "na emeryturę" rozglądałem się na New Connect, ale niewiele ich tam jest. Myślę, że nadać się mogą: BGS Energy, Euroimplant, Photon Energy i przede wszystkim Read Gene. Ciekawe czy któraś z nich osiągnie w swojej branży sukces na miarę Apple czy Microsoftu.

    OdpowiedzUsuń
  2. Dzieki. To miod na moje robaczywe serce :)

    Dzieki za typy spolek, chetnie poczytam sobie o nich.
    Poki co najpowazniej traktuje MEW, bowiem stawiaja oni na elektrownie wodne - technologie dobrze poznana i rozwinieta, poza tym moze ona liczyc na spore pieniadze z panstwowej kiesy, ale o tym dokladniej napisze w osobnym wpisie.

    OdpowiedzUsuń
  3. Wpis odbiegający od domowych rachunków, ale ja takie lubię :) Thx.

    OdpowiedzUsuń