Przełomowe badania nad fuzją jądrową. Pozyskano z reakcji więcej energii, niż w nią włożono

Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Opanowanie sposobów kontrolowania tego procesu obiecuje na dłuższą metę niemal nieograniczone źródło czystej energii elektrycznej z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa. Proces fuzji łączy w wysokich temperaturach atomy lekkich pierwiastków, takich jak deuter i tryt, w cięższe pierwiastki, jak hel. Powstają przy tym ogromne ilości energii w postaci ciepła.

Ludzkość od wieków marzyła o ujarzmieniu potęgi Słońca. Gdyby to się udało, otrzymalibyśmy źródło taniej, czystej, bezpiecznej i nieograniczonej energii. Z jednego kilograma deuteru, który występuje naturalnie w wodzie morskiej, można by zasilić setki tysięcy domostw. Zapewnilibyśmy sobie bezpieczeństwo energetyczne na lata. Do tego proces ten jest przyjazny środowisku, bo nie powstają w nim szkodliwe produkty uboczne, takie jak emisje dwutlenku węgla lub odpady radioaktywne.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Jest kilka sposobów na uzyskanie syntezy termojądrowej. Naukowcy obecnie skupiają się na metodzie kontrolowanie reakcji termojądrowej poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy. Podejście to polega na wykorzystaniu potężnego pola magnetycznego do utrzymania w ryzach paliwa dla syntezy termojądrowej, czyli plazmy. Metoda ta wymaga ogromnych temperatur. Do przeprowadzenia syntezy potrzeba rozgrzać wodór do temperatur przekraczających 100 milionów stopni Celsjusza. Tylko wtedy lżejsze atomy będą mogły połączyć się w cięższy. Energia wytworzona przez reakcję termojądrową powinna utrzymać temperaturę, a nadmiar ciepła może zostać przetworzony na energię elektryczną.

Tego typu reakcje termojądrowe udało się już przeprowadzić w tokamakach i stellaratorach w kilku ośrodkach badawczych na świecie. Jednak problem polega na tym, by utrzymać je przez dłuższy czas i uzyskać dodatni bilans energetyczny, a to oznacza, że reaktor powinien wyprodukować więcej energii, niż zostanie do niego dostarczone.

Inną metodą jest inercyjne uwięzienie plazmy. W tym podejściu wykorzystywany jest system laserów do podgrzewania paliwa plazmowego. Pelety paliwowe zawierają cięższe wersje wodoru — deuter i tryt, które łatwiej połączyć, a do tego wytwarzają więcej energii. Jednak granulki paliwa muszą być podgrzane do wysokich temperatur oraz poddane ogromnemu ciśnieniu. Potrzeba osiągnąć warunki podobne do tych panujących wewnątrz Słońca, które jest naturalnym reaktorem termojądrowym.

Osiągnięcie reakcje fuzji w takich warunkach uwolniłoby kilka cząstek, w tym cząstki alfa, które oddziałują z otaczającą plazmą i dalej ją podgrzewają. Podgrzana plazma uwalnia następnie więcej cząstek alfa i tak dalej. Powstaje tym samym samopodtrzymująca się reakcja, ale do jej inicjacji potrzebny jest zapłon, czyli wyzwolenie reakcji syntezy za pomocą laserów.

Ta sztuka powiodła się naukowcom z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii. Cel był trudny do osiągnięcia, bo fuzja zachodzi w tak wysokich temperaturach i ciśnieniach, że niezwykle trudno jest ją kontrolować. Jednak amerykańskim badaczom się to udało. Poinformowali, że w swoich eksperymentach wyprodukowali więcej energii w reakcji syntezy jądrowej, niż zostało zużyto do jej zapłonu. To wielki przełom w trwających od dziesięcioleci dążeniach do okiełznania procesu, który napędza słońce.

W National Ignition Facility (NIF), które jest częścią Lawrence Livermore National Laboratory, naukowcy od lat pracują nad metodą kontrolowania reakcji termojądrowej poprzez inercyjne uwięzienie plazmy. W ostatnich eksperymentach uczeni wykorzystali gigantyczny system laserów, który zajmuje powierzchnię równą trzem boiskom piłkarskim. System składa się z 192 laserów, których wiązki ogniskują swoją moc w jednym punkcie, gdzie znajduje się maleńki cylinder (hohlraum), zawierający izotopy wodoru, deuter i tryt. W ten punkt kierowany jest krótki, ale niezwykle intensywny impuls laserowy, który powoduje rozgrzanie paliwa do temperatury na tyle wysokiej, by jądra deuteru i trytu mogły przezwyciężyć wzajemne odpychanie i połączyć się w jądra helu.

5 grudnia naukowcy zogniskowali swój system laserowy na kapsułce paliwowej, co zapoczątkowało samopodtrzymującą się reakcję, tym samym osiągając długo oczekiwany zapłon. Energia dostarczona przez laser wyniosła 2,05 megadżuli i wytworzyła 3,15 megadżuli energii z syntezy jądrowej, co oznacza dodatni bilans energetyczny.

– Zapłon pozwala nam po raz pierwszy odtworzyć pewne warunki, które występują tylko w gwiazdach – powiedziała sekretarz ds. energii Jennifer Granholm na konferencji prasowej w Waszyngtonie. Granholm dodała, że badania te są "jednym z najbardziej imponujących osiągnięć naukowych XXI wieku".

Wytwarzanie bezemisyjnej, taniej energii z syntezy jądrowej jest jeszcze odległe, ale ten sukces oznacza duży krok naprzód. Kim Budil, dyrektorka Livermore Lab, powiedziała, że istnieją "bardzo znaczące przeszkody" w komercyjnym wykorzystaniu technologii syntezy jądrowej, ale postęp w ostatnich latach oznacza, że technologia ta prawdopodobnie będzie szeroko stosowana już za kilka dekad, a nie za 50 czy 60 lat, jak wcześniej oczekiwano.

–Dążenie do zapłonu syntezy jądrowej to jedno z najważniejszych wyzwań naukowych, przed jakimi kiedykolwiek stanęła ludzkość, a osiągnięcie go jest triumfem nauki, inżynierii, a przede wszystkim ludzi – powiedziała Budil. – Przekroczenie tego progu to wizja, która napędzała 60 lat pełnych poświęcenia dążeń – ciągłego procesu uczenia się, budowania, poszerzania wiedzy i możliwości, a następnie znajdowania sposobów na przezwyciężenie nowych wyzwań, które się pojawiły – dodała.

Źródło: Lawrence Livermore National Laboratory