Fuzja termojądrowa – amerykański kroczek naprzód

Czym jest fuzja termojądrowa

Zacznijmy od przypomnienia sobie, co to jest owa fuzja termojądrowa. Najprostsza definicja jest taka, że to szereg reakcji jądrowych tworzenia lekkich jąder atomowych. We Wszechświecie nie tylko podstawowe źródło energii, ale i źródło coraz cięższych pierwiastków, wychodząc od najprostszego i ciągle najbardziej rozpowszechnionego – wodoru. A konkretnie – jego podstawowego izotopu ¹H, zwanego protem, ponieważ jądro takiego atomu stanowi pojedynczy proton.

Z punktu widzenia energii w przypadku syntezy mamy do czynienia z powszechnym, będącym prostą konsekwencją słynnego wzoru Einsteina E=mc² zjawiskiem defektu masy. Dla jąder ciężkich, zawierających wiele nukleonów, defekt masy przejawia się w ten sposób, że gdy takie jądro rozleci się na kawałki w wyniku rozszczepienia, to suma mas tych kawałków jest mniejsza niż masa pierwotnego jądra. Odrobina masy zamieniła się w równoważną (E=mc² !!!!) energię. Ze wzoru jasno wynika, że to bardzo duża energia, z której kontrolowanego wyzwolenia korzystamy w elektrowniach jądrowych.

Jeśli chodzi o jądra lekkie, to jest odwrotnie – ich masa jest mniejsza, niż masa poszczególnych nukleonów w jądrze. Wniosek stąd taki, że jeśli tylko skłonimy parę protonów i neutronów do połączenia się w lekkie jądro, to defekt masy objawi się w postaci energii, i to dużo większej, niż w przypadku rozszczepienia. Ponieważ wodoru jest mnóstwo, a w wyniku fuzji obok nowych jąder powstaje wyłącznie energia, bez radioaktywnych produktów rozszczepienia, to jest to teoretycznie niewyczerpane źródło czystej energii. 

Protony nie chcą współpracować

To co w teorii wygląda to bardzo elegancko, w praktyce na pierwszy rzut oka jest nieosiągalne. Jak bowiem skłonić dwa protony, obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, a więc odpychające się elektrostatycznie, do połączenie w inne jądro? Przełamanie siły coulombowskiego odpychania wymaga energii, odpowiadającej temperaturze 10⁷ Kelwinów, czyli dziesiątków milionów stopni. Dopiero dysponujące taką energią kinetyczną protony są w stanie zbliżyć się na tyle blisko, aby wpaść w zasięg oddziaływań silnych, jeszcze mocniejszych od elektrostatycznych, tyle, że działających na bardzo krótkim dystansie.

Takie energie to nic innego jak warunki z wnętrza gwiazdy, które należałoby odtworzyć w laboratorium. Na szczęście możemy nieco te warunki złagodzić. Reakcji jądrowych jest wiele, a z tej najprostszej, z dwoma protonami powstaje – obok wypromieniowanych kwantu energii, neutrina i unoszącego ładunek pozytonu (antyelektronu) – jądro deuteru, trwałego cięższego izotopu wodoru. Reakcja ta w dodatku nie jest specjalnie energetyczna. 

Ale kolejna – fuzja jądra deuteru z protonem do jądra „lekkiego” izotopu helu 3 (³He) dostarcza trzy razy więcej energii. A hel 3 ulega fuzji z drugim takim samym jądrem, dając „zwykły” hel 4 (⁴He) i dwa protony oraz dwa razy więcej energii niż reakcja deuteru z protem.

Nie miejsce, aby rozwodzić się tutaj nad poszczególnymi reakcjami, ale w naszych warunkach najprostsza i najlepiej osiągalna jest reakcja fuzji między deuterem, a jeszcze cięższym izotopem wodoru – trytem (³H). Dalej potrzebujemy dla niej milionów stopni (temperatura „zapłonu” to ok. 45×10⁶ Kelvinów), ale trochę mniej niż w pozostałych przypadkach. Reakcja ma też największą wydajność ze wszystkich reakcji termojądrowych.

Deuter występuje w naturze i od dawna jesteśmy w stanie go otrzymywać w przemysłowych ilościach. (Ciężka woda w reaktorach PHWR to właśnie deuterek tlenu, D₂O). Gorzej z trytem, który występuje w ilościach minimalnych, a na dodatek jest promieniotwórczy, czyli nietrwały i się rozpada. Tryt to chyba najdroższa substancja na świecie. Mimo, że dość powszechnie wykorzystywana w różnych świecących gadżetach w rodzaju wskazówek zegarków, to ilości tego izotopu w nich są grubo mniejsze niż śladowe. Produkujemy jakieś minimalne ilości w reaktorach jądrowych. Na przyszłość jednak, jeśli chcemy wytwarzać za pomocą fuzji dużo energii, to musimy się postarać o jakąś produkcję trytu. Takich pomysłów w bardzo wczesnej fazie, na bazie niewielkich reaktorów jądrowych jest już kilka.

Pułapka magnetyczna czy laser?

W temperaturach milionów stopni praktycznie jedynym istniejącym stanem skupienia jest plazma – zjonizowany gaz, w którym jądra atomowe i elektrony występują osobno. Żaden materiał nie wytrzyma kontaktu z plazmą o temperaturze zapłonu termojądrowego. Ale plazma daje się uwięzić w polu magnetycznym, stąd pomysł magnetycznych pułapek, utrzymujących plazmę z dala od ścian „reaktora”, w wysokiej próżni. Tak działają urządzenia zwane tokamakami i stellaratorami, zdolne utrzymać odpowiednio długo warkocz plazmy w kształcie torusa o dość skomplikowanej geometrii. Potężny tokamak, który ma dać już konkretne wyniki – ITER – dopiero powstaje. 

Ale Amerykanie z National Ignition Facility w Livermore National Laboratory poszli inną drogą. Materializowana od ponad dekady w NIF idea zakłada w uproszczeniu, że niewielka kulka, zawierająca paliwo dla fuzji zostanie zgnieciona ze wszystkich stron przez odpowiednio silny impuls światła laserów. Implodująca kuleczka wytworzy warunki wystarczające do termojądrowego zapłonu, tworząc na chwilę mikroskopijne słońce, uwalniające energię fuzji. Po setkach laserowych strzałów w coraz bardziej udoskonalany cel, analizując ślady strzału z 5 grudnia 2022 naukowcy z NIF stwierdzili, że tym razem bilans energetyczny był dodatni. 

Instalacja jest, ale mało praktyczna

Impuls 192 ultrafioletowych neodymowych laserów dostarczył do celu dokładnie 2,05 MJ energii, tymczasem wyzwoliło się 3,15 MJ. Co oznacza, że w zgniecionej kulce doszło do termojądrowego zapłonu. Oczywiście taki bilans, choć poprawny, jest mocno mylący. Impuls trwa zaledwie kilka nanosekund i ma moc 500 terawatów. Straty po drodze są gigantyczne, bo lasery, wzmacniacze itp. potrzebują do impulsu ok. 400 MJ w postaci energii elektrycznej. 

Czytaj także: Atomowe trzęsienie ziemi w Ministerstwie Klimatu

Na dokładkę w całym urządzeniu stosowane są prawdopodobnie najbardziej zaawansowane technologie jakie ludzkość posiada w ogóle. Kulka z paliwem znajduje się w elemencie zwanym z niemiecka hohlraum. Finezyjnie wyprofilowany element z uranu pokrytego złotem, oświetlony laserowym impulsem zaczyna emitować do środka promieniowanie rentgenowskie. Pod jego wpływem ścianka kulki zaczyna zapadać się z szybkością niemal 400 km na sekundę, zgniatając siłą bezwładności znajdującą się w środku mieszaninę deuteru i trytu.

Oba te izotopy w normalnej temperaturze są gazami, żeby zwiększyć ich gęstość, na wewnętrznych ściankach kulki znajduje się zamrożona ich warstwa. Dopiero w centum kulki znajduje się obszar z gazem. Konsekwencją takiej konstrukcji jest konieczność trzymania wszystkiego w temperaturze poniżej 20 Kelvinów, czyli poniżej minus 250 stopni Celsjusza. Sama kulka i warstwa deuterowo-trytowego lodu musi mieć idealną symetrię. Każda deformacja w krytycznym momencie prowadzi do fiaska eksperymentu.

Na efekty jeszcze długo poczekamy

Kroczek może i był mały, ale na pewno nie pierwszy. Budowana od dekad zaawansowana technologia wykazała po raz pierwszy swoją przydatność. Teraz należałoby oczywiście uzyskać powtarzalność, bo cały pomysł polega na tym, aby wytwarzać energię za pomocą całych serii laserowych strzałów w kolejne ładunki paliwa. No a potem popracować nad efektywnością, bo na razie NIF to wielki pożeracz energii.

Czy uda zbudować się instalację tego typu o w miarę rozsądnych osiągach? Zobaczymy. A może w końcu uda się osiągnąć jakieś efekty w tokamaku? Z tym trzeba poczekać do uruchomienia ITER-a w drugiej połowie dekady.