Amerykańscy naukowcy ogłosili coś, co nazwali wielkim przełomem w długo nieuchwytnym celu, jakim jest tworzenie energii z syntezy jądrowej.

Departament Energii Stanów Zjednoczonych poinformował 13 grudnia 2022 r., że po kilku dekadach prób po raz pierwszy naukowcom udało się wydobyć z procesu więcej energii niż musieli włożyć.

Ale jak znaczący jest rozwój? A jak odległy jest długo oczekiwany sen o syntezie jądrowej dostarczającej obfitej, czystej energii? Carolyn Kuranz, profesor nadzwyczajny inżynierii jądrowej na Uniwersytecie Michigan, która pracowała w obiekcie, który właśnie pobił rekord syntezy jądrowej, pomaga wyjaśnić ten nowy wynik.

Co się stało w komorze fuzyjnej?

Fuzja to reakcja jądrowa, w której dwa atomy łączą się, tworząc jeden lub więcej nowych atomów o nieco mniejszej masie całkowitej. Różnica masy jest uwalniana jako energia, jak opisuje słynne równanie Einsteina, E = mc2, gdzie energia jest równa masie razy prędkość światła do kwadratu. Ponieważ prędkość światła jest ogromna, przekształcenie niewielkiej ilości masy w energię – jak w przypadku syntezy jądrowej – wytwarza podobnie ogromną ilość energii.

Naukowcy z National Ignition Facility rządu Stanów Zjednoczonych w Kalifornii po raz pierwszy zademonstrowali zjawisko znane jako „zapłon termojądrowy”. Zapłon ma miejsce, gdy reakcja syntezy jądrowej wytwarza więcej energii niż jest wprowadzana do reakcji ze źródła zewnętrznego i staje się samowystarczalna.

Paliwo jest przechowywane w maleńkim kanistrze zaprojektowanym tak, aby reakcja była jak najbardziej wolna od zanieczyszczeń. Departament Energii USA/Lawrence Livermore National Laboratory

Technika zastosowana w National Ignition Facility polegała na wystrzeleniu 192 laserów na kulkę paliwa o średnicy 0,04 cala (1 mm) wykonaną z deuteru i trytu – dwóch wersji pierwiastka wodoru z dodatkowymi neutronami – umieszczoną w złotym kanistrze. Kiedy lasery uderzają w kanister, wytwarzają promienie rentgenowskie, które podgrzewają i ściskają granulkę paliwa do około 20-krotności gęstości ołowiu i do ponad 5 milionów stopni Fahrenheita (3 miliony stopni Celsjusza) – około 100 razy cieplej niż powierzchnia Słońce. Jeśli możesz utrzymać te warunki przez wystarczająco długi czas, paliwo stopi się i uwolni energię.

Podczas eksperymentu paliwo i kanister odparowują w ciągu kilku miliardowych części sekundy. Naukowcy mają nadzieję, że ich sprzęt przetrwa ciepło i dokładnie zmierzy energię uwolnioną w reakcji syntezy jądrowej.

Co więc osiągnęli?

Aby ocenić powodzenie eksperymentu z syntezą jądrową, fizycy przyglądają się stosunkowi między energią uwolnioną w procesie syntezy jądrowej a ilością energii w laserach. Ten stosunek nazywa się zyskiem.

Wartość powyżej 1 oznacza, że ​​proces syntezy jądrowej uwolnił więcej energii niż dostarczyły lasery.

5 grudnia 2022 r. National Ignition Facility wystrzelił kulkę paliwa z energią lasera o energii 2 milionów dżuli – mniej więcej tyle energii, ile potrzeba do uruchomienia suszarki do włosów przez 15 minut – a wszystko to w ciągu kilku miliardowych części sekundy. Wywołało to reakcję fuzji, która uwolniła 3 miliony dżuli. To wzrost o około 1,5, pobijając poprzedni rekord zysku 0,7 osiągnięty przez obiekt w sierpniu 2021 r.

Jak duży jest ten wynik?

Energia termojądrowa jest „świętym Graalem” produkcji energii od prawie pół wieku. Chociaż wzrost o 1,5 jest, jak sądzę, prawdziwie historycznym przełomem naukowym, wciąż pozostaje wiele do zrobienia, zanim synteza jądrowa stanie się realnym źródłem energii.

Podczas gdy energia lasera wynosząca 2 miliony dżuli była mniejsza niż wydajność syntezy jądrowej wynosząca 3 miliony dżuli, wyprodukowanie laserów użytych w tym eksperymencie wymagało prawie 300 milionów dżuli. Ten wynik pokazał, że zapłon termojądrowy jest możliwy, ale poprawa wydajności do punktu, w którym fuzja może zapewnić dodatni zwrot energii netto, będzie wymagała dużo pracy, biorąc pod uwagę cały system od końca do końca, a nie tylko pojedyncza interakcja między laserami a paliwem.

Maszyny używane do tworzenia potężnych laserów, takie jak te przedwzmacniacze, wymagają obecnie znacznie więcej energii, niż same lasery wytwarzają. Lawrence Livermore National Laboratory, CC BY-SA

Co należy poprawić?

Istnieje wiele elementów układanki syntezy jądrowej, które naukowcy stale ulepszają od dziesięcioleci, aby uzyskać ten wynik, a dalsze prace mogą sprawić, że proces ten będzie bardziej wydajny.

Po pierwsze, lasery zostały wynalezione dopiero w 1960 roku. Kiedy rząd USA zakończył budowę National Ignition Facility w 2009 roku, była to najpotężniejsza instalacja laserowa na świecie, zdolna dostarczyć 1 milion dżuli energii do celu. 2 miliony dżuli, które obecnie wytwarza, to 50 razy więcej energii niż następny najpotężniejszy laser na Ziemi. Mocniejsze lasery i mniej energochłonne sposoby wytwarzania tych potężnych laserów mogą znacznie poprawić ogólną wydajność systemu.

Warunki syntezy jądrowej są bardzo trudne do utrzymania, a każda niewielka niedoskonałość w kapsule lub paliwie może zwiększyć zapotrzebowanie na energię i zmniejszyć wydajność. Naukowcy poczynili znaczne postępy w wydajniejszym przekazywaniu energii z lasera do pojemnika i promieniowania rentgenowskiego z pojemnika do kapsuły paliwowej, ale obecnie tylko około 10–30% całkowitej energii lasera jest przekazywane do kanistra i do paliwa.

Wreszcie, podczas gdy jedna część paliwa, deuter, naturalnie występuje w wodzie morskiej, tryt jest znacznie rzadszy. Sama synteza jądrowa faktycznie wytwarza tryt, więc naukowcy mają nadzieję opracować sposoby bezpośredniego zbierania tego trytu. W międzyczasie dostępne są inne metody produkcji potrzebnego paliwa.

Te i inne przeszkody naukowe, technologiczne i inżynieryjne będą musiały zostać pokonane, zanim fuzja będzie wytwarzać energię elektryczną dla Twojego domu. Konieczne będą również prace, aby znacznie obniżyć koszt elektrowni termojądrowej z 3,5 miliarda dolarów National Ignition Facility. Kroki te będą wymagały znacznych inwestycji zarówno ze strony rządu federalnego, jak i przemysłu prywatnego.

Warto zauważyć, że trwa globalny wyścig wokół syntezy jądrowej, a wiele innych laboratoriów na całym świecie stosuje różne techniki. Ale dzięki nowym wynikom z National Ignition Facility świat po raz pierwszy zobaczył dowody na to, że marzenie o fuzji jest możliwe do osiągnięcia.

Carolyn Kuranz, profesor nadzwyczajny inżynierii jądrowej, Uniwersytet Michigan

Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.