Naukowcy z National Ignition Facility korzystając z gigantycznego systemu laserowego stanęli u progu przełomu w kontrolowaniu reakcji termojądrowych. W niedawnych eksperymentach uczonym udało się odzyskać około 70 procent energii użytej do zainicjowania reakcji syntezy jądrowej, tej samej, która zasila Słońce. Osiągnięcie badaczy jest bardzo blisko uzyskania dodatniego bilansu energetycznego.

Rodzaj reakcji jądrowej, która napędza obecne elektrownie atomowe, to rozszczepienie ciężkich jąder atomowych. W wyniku tego procesu uwalniane są olbrzymie ilości energii. Ale fuzja termojądrowa to odwrotne działanie, polegające na łączeniu dwóch lekkich jąder atomowych w jedno cięższe. W procesie tym powstaje jeszcze więcej energii niż podczas rozpadu jąder. Do tego taka energia jest czysta i nie powstają podczas jej produkcji odpady radioaktywne.

Fizycy od dziesięcioleci poszukują sposobu na stworzenie wydajnych reakcji syntezy jądrowej, aby wyprodukować czystą energię przy użyciu niewielu zasobów. Jednak reakcje fuzji są trudne do kontrolowania i do tej pory w żadnym eksperymencie nie udało się uzyskać dodatniego bilansu energetycznego, czyli nie wyprodukowano większej ilości energii, niż włożono w wywołanie reakcji fuzji.

Synteza termojądrowa

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 całym 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.

Gigantyczne lasery

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, złoty cylinder (hohlraum), zawierający jeszcze mniejszą, diamentową otoczkę, która jest wypełniona izotopami wodoru, deuterem i trytem.

W ten punkt kierowany jest krótki, ale niezwykle intensywny impuls laserowy, który powoduje, że złota otoczka cylindra paruje, wytwarzając impuls promieniowania rentgenowskiego, który powoduje eksplozję diamentowej otoczki wywołując tym samym implozję zawartego w kapsułce paliwa i ściska je do gęstości sto razy większej od ołowiu. Paliwo rozgrzewa się przy tym do temperatury na tyle wysokiej, by jądra deuteru i trytu mogły przezwyciężyć wzajemne odpychanie i połączyć się w jądra helu. Teoretycznie, jeśli takie maleńkie eksplozje mogłyby zostać wywołane z szybkością około 10 na sekundę, można by stworzyć stabilne źródło energii.

Po uruchomieniu NIF modele komputerowe przewidywały szybki sukces, ale początkowo strzały z lasera generowały za mało energii, dodatkowo jej część ulegała rozproszeniu, a kapsułka z paliwem nie ogrzewała się wystarczająco. Ale naukowcy nie poddali się i opracowali szereg ulepszeń swojego systemu, które obejmowały wygładzenie mikroskopijnych wybrzuszeń i wgłębień na powierzchni kapsuły paliwowej, zmniejszenie rozmiaru otworu w kapsule używanego do wstrzykiwania paliwa, zmniejszenie otworów w złotym cylindrze, aby mniej energii uciekało oraz wydłużenie impulsu laserowego. Te zmiany znacznie poprawiły efektywność procesu.

 

Blisko dodatniego bilansu energetycznego

Początkowo strzały wiązką laserową generowały tylko około 1 kilodżula energii. Po ulepszeniach laser wytwarzał już 100 tys. dżuli energii, a na początku tego roku udało się osiągną 170 tys. dżuli.

Kolejny sukces przyszedł przed kilkoma dniami. Ósmego sierpnia strzał wiązką laserową wygenerował 1,35 mln dżuli energii. To osiem razy więcej energii niż kiedykolwiek osiągnięto w tym obiekcie. To mnie więcej energia kinetyczna samochodu poruszającego się z prędkością 160 kilometrów na godzinę.

192 wiązki ultrafioletowego światła generują 1,9 mln dżuli energii. Uzyskane w eksperymentach 1,35 mln dżuli oznacza, że udało się odzyskać około 70 proc. energii impulsu laserowego, który wyzwolił reakcje.

– To była niespodzianka dla wszystkich – mówi Mark Herrmann, szef programu syntezy jądrowej w Lawrence Livermore National Laboratory. Fizyk dodaje, że jeszcze nie wiadomo, które z ulepszeń było kluczowe. Potrzebne będą dogłębne analizy, ale uczeni słysząc o wynikach uzyskanych w NIF zaczęli nieśmiało mówić o przełomie i osiągnięciu w końcu dodatniego bilansu energetycznego.

 

Co dalej?

Osiągnięcie zespołu Herrmanna jest doniosłym wyczynem, ale jeszcze daleka droga do zbudowania elektrowni termojądrowej. – Uzyskanie fuzji jądrowej w laboratorium jest naprawdę trudne, a uzyskanie ekonomicznej mocy termojądrowej jest jeszcze trudniejsze – mówi Michael Campbell, dyrektor Laboratorium Energetyki Laserowej na University of Rochester.

– Ten wynik jest historycznym krokiem naprzód w badaniach nad syntezą termojądrową. Otwiera całkowicie nowe pola do eksploracji i rozwoju. Jest to również świadectwo innowacyjności, pomysłowości, zaangażowania i wytrwałości tego zespołu oraz wielu innych badaczy, którzy przez dziesięciolecia konsekwentnie dążyli do celu – podkreśla dyrektor Lawrence Livermore National Laboratory Kim Budil.

Naukowcy pracujący w NIF będą dalej usprawniać swoją metodę. Osiągnięcie syntezy termojądrowej można by wykorzystać nie tylko do produkcji energii. Umożliwiłoby fizykom badania warunków w niektórych z najbardziej ekstremalnych stanów we Wszechświecie, gdzie obecne są niewiarygodnie wysokie temperatury i ciśnienie.

Fuzja jądrowa to reakcja napędzająca gwiazdy, w tym nasze Słońce. 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, a tej jest pod dostatkiem, 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.

 

 

Źródło: Lawrence Livermore National Laboratory, Science, Imperial College London

 

5 1 vote
Article Rating