Energia z fuzji jądrowej. Kulka o średnicy 2 mm to początek dominacji nad światem

Nieco ponad 2 mln dżuli – taką energię trzeba było dostarczyć, by przeprowadzić jeden z najważniejszych eksperymentów naukowych ostatnich lat. To mniej więcej tyle, ile potrzeba do zagotowania w temperaturze pokojowej 4-5 litrów wody. Mimo to naukowcy mówią o przełomie.

Wszystko za sprawą faktu, że zużywając 2 mln dżuli (MJ), udało się przeprowadzić reakcję fuzji jądrowej, która wygenerowała 3,15 mln dżuli. W praktyce oznacza to, że – na razie w laboratorium – badacze uzyskali energetyczną nadwyżkę: czystą, "darmową" energię, o której od dziesięcioleci śnili futurolodzy, naukowcy i politycy.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Fuzja jądrowa to proces powszechny. Zawdzięczamy jej życie, bo jest ono możliwe wyłącznie dzięki naszej najbliższej gwieździe. We wnętrzu Słońca i innych gwiazd zachodzi nieustanny proces, w którym izotopy wodoru, deuter i tryt, łączą się w cięższy hel.

Generowana przy tym energia zapewnia samopodtrzymywanie się zachodzącej reakcji (reakcja łańcuchowa), a przy okazji ogrzewa okolice gwiazdy. Dzięki temu na niektórych z otaczających ją planet istnieją warunki, w których mogą powstać i utrzymać się znane nam formy życia.

Ale jak odtworzyć procesy zachodzące wewnątrz gwiazdy również na Ziemi? Ponad 70 lat temu Ziemianie opanowali tę umiejętność, konstruując bomby atomowe (wodorowe). Problem polega na tym, że ich eksplozja jest trudna do ujarzmienia.

Dlatego badacze na całym świecie prowadzą doświadczenia z fuzją jądrową w kontrolowanych, laboratoryjnych warunkach, wykorzystując w tym celu wymyślone przez Rosjan tokamaki czy stellaratory.

Niestety, przez dziesięciolecia badań nad fuzją jądrową jej przeprowadzenie – choć nie było niczym niezwykłym – wymagało dostarczenia większej energii, niż generowało.

Mimo to rządy wielu krajów konsekwentnie inwestowały znaczne środki w prowadzenie dalszych badań. Przykładem jest choćby brytyjski ośrodek badawczy JET (Joint European Torus) czy europejski projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor - Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny), zakładający budowę wielkiego tokamaka, który ma zacząć działać w 2025 r. To pod względem budżetu drugi na świecie naukowy program badawczy, ustępujący tylko Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Zaangażowanie wielkich zasobów (na początku 10 mld euro) ma jednak uzasadnienie. Fuzja jądrowa daje bowiem nadzieję na energię nie tylko czystą, ale także tanią i niemal nieograniczoną. Niemal, bo o ile deuter można łatwo uzyskać np. z wody morskiej, to ograniczone są znane zasoby trytu. Trudno jednak przecenić znaczenie taniej i dostępnej energii – w praktyce to klucz do ogromnego dobrobytu i globalnej dominacji.

Na dobrej drodze do tego sukcesu są Amerykanie i Narodowy Zakład Zapłonu (National Ignition Facility – NIF) – budowane od lat 90. centrum badawcze, które rozpoczęło pracę w 2009 r.

Nazywanie tej instalacji "laboratorium" może być mylące – NIF ze swoimi wielkimi budynkami przypomina raczej kombinat przemysłowy. Jego hale kryją potężne lasery, dzięki którym można badać procesy zachodzące we wnętrzach gwiazd, prowadzić badania broni jądrowej, a także prowadzić kontrolowaną fuzję jądrową.

Przeprowadzenie tej ostatniej polega na ostrzelaniu laserami 2-milimetrowej kapsułki, zawierającej paliwo fuzji - izotopy wodoru. Na dystansie 1,5 tys. metrów pojedynczy początkowo promień lasera jest rozszczepiany i wzmacniany, przez co finalnie na kapsułce ogniskują się 192 laserowe wiązki, inicjując w ten sposób proces łączenia się deuteru i trytu w hel – tak, jak we wnętrzu Słońca.

Naukowym przełomem, który ogłosili badacze z NIF, jest dodatni bilans energetyczny całego procesu. Choć podobne osiągnięcia ogłaszano już przed laty (m.in. w 2013 r.), były one kwestionowane. Tym razem sukces ma być niepodważalny, za co ręczy swoim autorytetem amerykański Departament Energii.

Problem w tym, że rozpalająca wyobraźnię informacja nie jest w pełni precyzyjna. Owszem, z dostarczonych do "kulki" 2,15 MJ uzyskano energetyczną nadwyżkę w postaci 3,05 MJ, jednak przeprowadzenie doświadczenia i odpowiednie wzmocnienie laserowych wiązek pochłonęło w sumie ponad 300 MJ.

W teorii mówimy zatem o energetycznej nadwyżce. W praktyce (na tym etapie pomijalna – choć istotna – jest także kwestia strat, które wystąpią choćby przy przekształcaniu energii cieplnej w elektryczną) udało się odzyskać zaledwie ok. 1 proc. zużytej energii. Pokazuje to ogrom wyzwań stojących wciąż przed badaczami.