W zeszłym roku naukowcom z Lawrence Livermore National Laboratory udało się przeprowadzić kontrolowaną reakcję syntezy jądrowej, w której uzyskano dodatni bilans energetyczny, czyli uzyskano więcej energii, niż zużyto do zainicjowana reakcji. Teraz badacze powtórzyli tamten eksperyment, osiągając jeszcze wyższą wydajność energetyczną.
W grudniu ubiegłego wszystkie media na świecie donosiły o przełomie w pracach nad fuzją jądrową. Amerykańskim naukowcom udało się uzyskać dodatni bilans energetyczny w procesie fuzji termojądrowej z wykorzystaniem promieniowania laserowego dużej mocy. Energia wytworzona w reakcji syntezy była większa (3,15 MJ) niż energia dostarczona do paliwa termojądrowego (2,05 MJ). Eksperci z różnych instytucji zgodnie podkreślali, że jest to duży postęp w pracach nad inercyjną fuzją jądrową oraz istotny krok w kierunku opanowania fuzji jądrowej jako bezpiecznego, taniego i przyjaznego dla środowiska źródła energii.
30 lipca uczeni ponownie przeprowadzili kontrolowaną reakcję termojądrową i jak donoszą specjaliści, udało im się uzyskać więcej energii niż w zeszłym roku. Chociaż wciąż jest daleko do stworzenia niezawodnego, samowystarczalnego źródła energii, ponowne eksperymenty z pewnością dostarczą istotnych informacji na temat ulepszenia technologii.
W znajdującym się w pobliżu San Francisco Lawrence Livermore National Laboratory zlokalizowana jest US National Ignition Facility (NIF). Znajduje się tam urządzenie wyposażone w jedne z najpotężniejszych laserów na świecie. W placówce tej realizowane są eksperymentalne programy związane z fuzją jądrową. Przy pomocy 192 laserów oraz izotopów wodoru podejmowane są próby sztucznego wytworzenia nawet bardziej ekstremalnych warunków niż te panujące na Słońcu. Izotopy wodoru ulegają wtedy przekształceniu w hel, a przy okazji dochodzi do wyzwolenia dużych ilości energii.
To właśnie w NIF w poprzednim roku udało się osiągnąć tzw. próg zapłonu, dzięki czemu udało się podtrzymać tę reakcję. W nowych eksperymentach uczeni skupili się na uzyskaniu lepszych rezultatów. I to się im udało. - Możemy potwierdzić, że eksperyment dał wyższą wydajność niż eksperyment z grudnia 2022 roku – powiedział rzecznik NIF Paul Rhien. Dodał, że szczegółowe wyniki zostaną przedstawione na nadchodzących konferencjach naukowych oraz w recenzowanych publikacjach.
Eksperyment został powtórzony 30 lipca i jego efekty okazały się lepsze, niż w przypadku tego z grudnia 2022 roku. O ile bowiem wtedy udało się uzyskać energię na poziomie 3,15 MJ, o tyle tym razem było to 3,5 MJ. Same lasery odpowiedzialne były za dostarczenie 2 MJ, a zatem udało się uzyskać energetyczny zysk netto.
Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Opanowanie sposobów jego kontrolowania obiecuje na dłuższą metę niemal nieograniczone źródło czystej energii elektrycznej z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa. Proces fuzji łączy w wysokich temperaturach atomy lekkich pierwiastków w cięższe pierwiastki. Powstają przy tym ogromne ilości energii w postaci ciepła.
W wielu ośrodkach, gdzie prowadzone są badania nad fuzją termojądrową, wykorzystywane są urządzenia takie jak tokamak czy stellarator. W ich wnętrzach zamykana jest plazma i utrzymywana jest w ryzach za pomocą potężnych pól magnetycznych. 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. To metoda kontrolowania reakcji termojądrowej poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy.
Inną metodą jest inercyjne uwięzienie plazmy i właśnie z tej metody korzystają uczeni z NIF. Reakcję termojądrową wyzwalają tutaj potężne lasery. W obu przypadkach jako paliwa używa się izotopów wodoru - deuteru i trytu. W pierwszej metodzie proces syntezy zachodzi wolniej, przez co łatwiej może być kontrolowany. Tego typu reakcje termojądrowe udało się już przeprowadzić w tokamakach i stellaratorach w kilku ośrodkach badawczych na 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.
W podejściu zastosowanym przez badaczy z NIF wykorzystywany jest system laserów do podgrzewania paliwa plazmowego. Pelety paliwowe zawierające deuter i tryt 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 uwalnia 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.
W swoich badaniach 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 cylinder (hohlraum), zawierający wspomniany deuter i tryt. W ten punkt kierowany jest krótki, ale niezwykle intensywny impuls laserowy, który powoduje rozgrzanie paliwa do temperatury na tyle wysokiej, by jądra deuteru i trytu mogły przezwyciężyć wzajemne odpychanie i połączyć się w jądra helu.
Jednakże aby wytwarzać w ten sposób energię, którą można by zasilać domostwa, potrzeba byłoby laserów, które byłyby przynajmniej stukrotnie potężniejsze. Ponadto musiałyby one generować impulsy nawet kilka razy na sekundę.
Źródło: NIF, Science Alert, fot. Don Jedlovi/US National Ignition Facility
