Przełom w fuzji jądrowej. Dodatni bilans energetyczny tuż za rogiem

"To najważniejsze osiągnięcie od lat 70. ubiegłego wieku" - tymi słowami skomentowali swoje najnowsze dokonanie naukowcy z amerykańskiego National Ignition Facility (NIF), podczas obecnie trwającego 63. dorocznego spotkania Wydziału Fizyki Plazmy APS w Pittsburghu. Ich badania zostały właśnie opublikowane w Biuletynie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

Jesteśmy coraz bliżej budowy pierwszego efektywnego sztucznego słońca, dzięki któremu będziemy mogli produkować tanią i w pełni ekologiczną energię elektryczną. W National Ignition Facility (NIF), naukowcy korzystają z potężnych laserów. Za ich pomocą można uwięzić plazmę na zasadzie inercji. 192 lasery są skupione w jednym punkcie. Znajduje się tam złoty cylinder (hohlraum), zawierający małą diamentową otoczkę, która jest wypełniona izotopami wodoru, deuterem i trytem.

Naukowcy tłumaczą, że intensywny impuls laserowy sprawia, że złota otoczka cylindra paruje, przy tym wytwarzając impuls promieniowania rentgenowskiego. On z kolei doprowadza do eksplozji diamentowej otoczki, wywołując implozję zawartego w kapsułce paliwa. Następnie dochodzi do ściskania paliwa do gęstości sto razy większej od ołowiu. Jest to ciśnienie 100 miliardów atmosfer ziemskich.

Tak potężne ciśnienie rozgrzewa paliwo do temperatury milionów stopni Celsjusza. Wówczas jądra deuteru i trytu mogą przezwyciężyć wzajemne odpychanie i połączyć się w jądra helu. W ten sposób dochodzi do fuzji jądrowej i wygenerowania jeszcze większej energii. Zaledwie jedna szklanka wody dawać ma jej tyle, ile pół miliona baryłek ropy naftowej.

W NIF przy Lawrence Livermore National Laboratory osiągnięto rekordową wydajność ponad 1,3 mln dżuli, czyli 0,361 kWh. Co najważniejsze, strzał pochłonął 1,9 mln dżuli, co oznacza, że udało się odzyskać ok. 70 procent energii impulsu laserowego, który wyzwolił reakcję. Wyniki te oznaczają 8-krotną poprawę w porównaniu z eksperymentami przeprowadzonymi wiosną 2021 roku i aż 25-krotny wzrost w stosunku do rekordowej wydajności NIF z 2018 roku.

To niezwykle ważne osiągnięcie, które zbliża nas do uruchomienia pierwszego reaktora fuzji jądrowej, oferującego dodatni bilans energetyczny. System już jest udoskonalany. Naukowcy już w przyszłym roku chcą zwiększyć jego efektywność ponad 10-krotnie. Największym problemem technologii fuzyjnych jest fakt, że obecnie uruchomienie reaktora pochłania znacznie więcej energii, niż ją uzyskujemy na drodze reakcji termojądrowych. Ta smutna rzeczywistość powoli jednak zmienia się na lepsze, a to za sprawą zupełnie nowego podejścia do budowy tych urządzeń, które realizuje się w Stanach Zjednoczonych.

Reaktory fuzji jądrowej mają pozwolić krajom je posiadającym produkować tanią i w pełni przyjazną środowisku naturalnemu energię na potrzeby rozwoju, która bije na głowę w kwestii efektywności nie tylko paliwa kopalne, ale również technologie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych.

Kolejnym celem jest dalsze udoskonalania systemu, by ten pochłaniał mniej energii i jednocześnie generował jej więcej. Celem jest dodatni bilans energetyczny. Wówczas będziemy mogli już mówić o powstaniu w pełni praktycznego sztucznego słońca, czyli technologii produkcji energii na miarę XXI wieku.

Przy okazji tematu reaktorów fuzyjnych warto wspomnieć, że naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i Commonwealth Fusion Systems niedawno poinformowali, że są w trakcie budowy eksperymentalnego sztucznego słońca o nazwie SPARC. Ich reaktor ma jako pierwszy na świecie uzyskać dodatni bilans energetyczny. Amerykanie nie rzucają słów na wiatr. Ich reaktor fuzji jądrowej jest obecnie jednym z najbardziej zaawansowanych na świecie. Projekt został zainicjowany w 2018 roku.

Tymczasem już w przyszłym roku mają rozpocząć się jego pierwsze testy. Naukowcy są pewni, że już w pierwszej fazie SPARC pobije wszelkie światowe rekordy takich urządzeń, a w 2025 roku osiągnie komercyjną sprawność. Będzie to oznaczało, że Amerykanie wyprzedzą UE w tej kwestii nawet o 10 lat. ITER ma być bowiem gotowy dopiero w 2035 roku.