Rozpoczęcie fuzji jądrowej jest bardzo trudne. Wymaga ono zastosowania wielkich sił, które wymuszą na jądrach lekkich pierwiastków, jak np. wodór i hel, by się połączyły. Na Ziemi potrzebujemy do tego olbrzymich i kosztownych urządzeń. Badacze z NASA zaprezentowali właśnie metodę rozpoczęcia fuzji bez potrzeby budowy tokamaka czy stellaratora. Opracowana przez nich technika może stać się potencjalnym źródłem energii dla przyszłych misji w głębokim kosmosie.

Próbki erbu wykorzystane podczas eksperymentu z fuzją w sieci krystalicznej, © NASA

Metoda, nazwana fuzją w sieci krystalicznej, została opisana na łamach Physical Review C. Eksperci wykorzystali erb i tytan. Pod dużym ciśnieniem wprowadzili doń deuter. Metal zatrzymuje go do czasu, aż pierwiastek będzie potrzebny do przeprowadzenia fuzji.

Podczas ładowania deuterem, sieć krystaliczna metalu pęka, by zrobić miejsce na deuter, wyjaśnia Theresa Benyo, fizyk analityczna, która stoi na czele zespołu badawczego. Otrzymujemy rodzaj proszku. Tak przygotowany metal jest gotowy do przeprowadzenia następnego kroku – pokonania bariery kulombowskiej, czyli sił elektrostatycznych uniemożliwiających jądrom deuteru, deuteronom, zbliżenie się do siebie.

Aby do tego doszło konieczna jest specyficzna sekwencja zderzeń cząstek. W akceleratorze elektrony uderzają w barierę z wolframu. Powstają wysokoenergetyczne fotony które są kierowane w stronę próbki naładowanej deuterem. Gdy foton trafia w deuteron, ten zostaje podzielony na proton i neutron. Neutron uderza zaś w kolejny deuteron, przyspieszając go. W wyniku tego procesu mamy więc deuteron, który porusza się na tyle szybko, by pokonać barierę kulombowską i połączyć z innym deuteronem.

Kluczem do sukcesu jest tutaj zjawisko ekranowania elektronów. Nawet bardzo energetyczne deuterony mogą nie być w stanie pokonać bariery kulombowskiej i do fuzji nie dojdzie. Tutaj z pomocą przychodzi sieć krystaliczna metalu. Elektrony w sieci krystalicznej tworzą rodzaj ekranu wokół stacjonarnego deuteronu, mówi Benyo. Ujemny ładunek elektronów powoduje, że otoczony przez nie deuteron (o ładunku dodatnim) jest chroniony przez odpychaniem przez drugi deuteron (również o ładunku dodatnim), dopóki oba jądra nie znajdą się bardzo blisko. Dzięki temu do fuzji może dojść.

Naukowcy z NASA dowiedli nie tylko możliwości przeprowadzenia w ten sposób fuzji atomów deuteru, ale zaobserwowali też proces Oppenheimera-Philipsa. To rodzaj reakcji jądrowej indukowanej deuteronem. Czasem, zamiast połączyć się z innym deuteronem, jądro deuteru zderza się z atomem w sieci krystalicznej albo tworząc izotop, ale zmieniając atom w inny pierwiastek. Okazało się, że w wyniku tej reakcji również powstaje energia, którą można wykorzystać.

Nie uzyskaliśmy zimnej fuzji, podkreśla fizyk Lawrence Forsley. To, co udało się uzyskać, jest gorącą fuzją, ale przeprowadzoną w inny niż dotychczas sposób.

Fuzja w sieci krystalicznej zachodzi początkowo w niższej temperaturze i przy niższym ciśnieniu niż w tokamaku, stwierdza Benyo. Uczona mówi, że gdy po przeprowadzeniu eksperymentu próbka była bardzo gorąca. Jej temperatura częściowo pochodzi z samej fuzji, a częściowo od wysokoenergetycznych fotonów.

Przed ekspertami z NASA jeszcze wiele pracy. Po tym, jak dowiedli, że można w ten sposób przeprowadzać fuzję, muszą udoskonalić cały proces tak, by był on bardziej wydajny i by zachodziło więcej reakcji. Gdy łączą się dwa deuterony powstaje albo proton i tryt albo hel-3 i neutron. W tym drugim przypadku neutron może uderzyć w inny deuteron, rozpędzić go i podtrzymać reakcję. Naukowcy pracują na tym, by uzyskać bardziej przewidywalną i podtrzymującą się reakcję.

Benyo mówi, że ostatecznym celem jej zespołu jest stworzenie systemu do zasilania pojazdów kosmicznych za pomocą fuzji w strukturze krystalicznej. Taki system przydałby się tam, gdzie np. nie można korzystać z energii słonecznej. A to, co można wykorzystać w kosmosie może też być wykorzystane na Ziemi.

 

 

Źródło: Physical Review C
0 0 votes
Article Rating