Naukowcy w US National Ignition Facility, największym na świecie ośrodku badawczym nad fuzją jądrową, po raz pierwszy osiągnęli doświadczalnie zjawisko nazywane ignicją. Polega ono na stworzeniu reakcji nuklearnej, która produkuje więcej energii, niż pochłania. Do zdarzenia doszło 5 grudnia, a ogłoszone zostało13 grudnia przez administrację prezydenta Joe Bidena.
Celem badań jest okiełznanie fuzji nuklearnej, zjawiska które „zasila” Słońce. Moglibyśmy w ten sposób zapewnić źródło niemal nieograniczonej zielonej energii na Ziemi. Naukowcy zaznaczają jednak, że pomimo ostatniego sukcesu, do osiągnięcia tego celu pozostaje jeszcze długa droga.
Czym właściwie jest fuzja?
Inaczej reakcja termojądrowa. Polega na łączeniu się dwóch lżejszych jąder pierwiastków w jedno cięższe. Ten proces uwalnia wystarczająco dużo energii, żeby zasilać gwiazdy takie jak nasze Słońce.
Reakcja fuzji jąder izotopów wodoru – deuteru i trytu. Produktem jest energia, jądro helu-4 i neutron.
Jak to zrobiliśmy?
Do przeprowadzenia reakcji użyto zestawu 192 laserów i dostarczono 2,05 megadżuli energii do złotego cylindra rozmiarów mniej więcej groszku. Zawierał on zamrożoną grudkę izotopów wodoru – deuteru i trytu. Impuls energii doprowadził do zapadnięcia kapsuły. W czasie reakcji wytworzyła się niezwykle wysoka temperatura, do tej pory obserwowalna tylko w jądrach gwiazd i broniach termonekluarnych.
Z analizy laboratoryjnej wynika, że reakcja wytworzyła około 3,15 megadżuli energii, czyli o 54% więcej, niż było potrzebne do przeprowadzenia reakcji. Osiągnięty wynik znacząco pobił też dotychczasowy rekord tego ośrodka, czyli 1,3 megadżuli.
National Ignition FacilityPrzebieg eksperymentu, w którym osiągnięto zjawisko ignicji
Dlaczego tym razem się udało? Przede wszystkim od czasu ostatniej próby przeprowadzono szczegółową analizę wyników poprzednich podejść i zastosowano modelowanie komputerowe, które miało przewidzieć przebieg eksperymentu. Dodatkowo zwiększono moc laserów o około osiem procent. Stworzono cel z mniejszą ilością niedoskonałości i dostosowano sposób dostarczania do niego energii, żeby stworzyć bardziej sferyczną implozję. Dopracowanie wszystkich tych czynników przełożyło się na ogromny sukces doświadczenia.
Dlaczego jest to ważne?
Przede wszystkim wynik eksperymentu jest prawdziwym kamieniem milowym w tej dziedzinie nauki. Mimo tego, że do celu nieograniczonej zielonej energii jest jeszcze daleko ten eksperyment dostarczył nam istotnych danych, które pozwolą na dalszy rozwój. Tak znaczące osiągnięcie prawdopodobnie zapewni też NIF-owi dofinansowanie na dalsze badania.
Sprzęt wykorzystywany przez NIF nie jest zaprojektowany do produkcji komercyjnej energii powstałej z fuzji. Priorytetowym celem programu jest badanie broni nuklearnych. Wielu naukowców uważa, że wykorzystanie laserów nie jest efektywnym podejściem do masowej produkcji takiego rodzaju energii.
Ostatni sukces może jednak zwiększyć nadzieje w perspektywę rozwoju tej technologii i zachęcić różnego rodzaju instytucje do otwarcia nowych, bardziej skupionych na realizacji tego celu programów.
Wnętrze laboratorium National Ignition Facility
Alternatywne sposoby badań
Na całym świecie są przeprowadzane różne, alternatywne metody badań nad fuzją. Muszą jednak pokonać wiele wyzwań inżynieryjnych. Jednym z nich może być odpowiednie skonstruowanie układu, który mógłby wykorzystać ciepło wyprodukowane w procesie fuzji do wygenerowania znacznych ilości energii, które mogłyby zostać przekształcone w energię elektryczną.
Przykładem takiego projektu może być ITER tworzony we współpracy Chin, Unii Europejskiej, Indii, Japonii, Korei, Rosji i Stanów Zjednoczonych. Cel projektu jest bardzo podobny do tego NIF, używają jednak innej metody. Trzymają plazmę deuteru i trytu zamkniętą w toroidalnej komorze próżniowej i podgrzewają do momentu doprowadzenia do fuzji jąder. Naukowcy spodziewają się osiągnąć zamierzony efekt w 2035 roku. Na tym etapie głównym źródłem energii będzie ta pochodząca z samonagrzewania. W ten sposób po pewnym czasie energia z samonagrzewania przewyższy tą, która była potrzebna do podgrzania izotopów do odpowiedniej temperatury.
Budowa reaktora ITER
Co jeszcze nas czeka?
„Badania nad fuzją jądrową ciągnęły się już od 1950 roku i to pierwszy raz kiedy w procesie fuzji powstało więcej energii niż zostało dostarczone” – jak mówi MIchael Campbell, były dyrektor laboratorium. Nie jest to jednak całkowity sukces, ponieważ mimo tego, że proces fuzji rzeczywiście wytworzył ponad trzy megadżule energii, czyli więcej niż było dostarczone do celu, lasery używane podczas eksperymentu pochłonęły 332 megadżule energii.
Mimo tego eksperyment wciąż liczy się jako osiągnięcie zjawiska ignicji. Dopóki jednak nie opracujemy sposobu ograniczenia zużycia energii przez sprzęt, osiągnięcie to nie przyniesie nam żadnych wymiernych korzyści poza wiedzą naukową.
Następnym krokiem w rozwoju tej technologii będzie z pewnością zmniejszenie ilości energii, jaką w tej reakcji zużywa sprzęt. Konieczne będzie również drastyczne zwiększenie szybkości przeprowadzania reakcji.
Korekta – Matylda Kołomyjec
