Naukowcy ogłaszają przełom w fuzji jądrowej. Po raz pierwszy dodatni bilans energetyczny

Kilka dni temu osiągnięto historyczny kamień milowy. Po raz pierwszy w historii zapoczątkowano taką reakcję syntezy jądrowej, że uzyskano więcej energii niż dostarczono. Co więcej, uzysk nie jest śladowy. Jest jednak kilka haczyków.

Fuzji jądrowej doświadczamy na co dzień – jest to proces, w wyniku którego powstaje ciepło i światło Słońca i innych gwiazd. Krótko mówiąc, polega na rozbijaniu lekkich atomów w celu wytworzenia cięższych, uwalniając w tym procesie ogromne ilości energii. Naukowcy chcieli ten proces zapoczątkować w laboratorium i choć wcześniejsze próby zakończyły się powodzeniem, to od kilkudziesięciu lat naukowcy czekali na taką syntezę jądrową, która wytworzyłaby więcej energii niż pobierała. Oczekiwanie dobiegło końca i 5 grudnia udało się tego dokonać w National Ignition Facility (NIF). Złote ścianki kapsuły zwanej hohlraum są ogrzewane przez 192 wiązki lasera, osiągając temperatury ponad 3 mln stopni Celsjusza, co powoduje emisję promieni rentgenowskich, które z kolei ogrzewają milimetrową kapsułę wewnątrz hohlraum, która zawiera dwie formy wodoru: deuter i tryt.  Ciepło powoduje, że powierzchnia kapsułki eksploduje na zewnątrz, zmuszając jej zawartość do implozji – innymi słowy, deuter i tryt są szybko ściskane razem pod bardzo wysokim ciśnieniem i temperaturą. Skutek jest taki, że w najgorętszej części paliwa dochodzi do syntezy jądrowej, w wyniku której powstają jądra helu. Ponieważ jedno jądro helu ma nieco mniejszą masę niż połączenie jednego jądra deuteru i jednego jądra trytu, różnica w masie jest uwalniana w postaci wybuchu energii. 

Technika rozbijania atomów została z powodzeniem wykorzystana do wygenerowania większej ilości energii, niż naukowcy dostarczyli. Do otwierania szampana i czystej energii jeszcze jednak daleko.

W sierpniu 2021 roku podjęto próbę podobnego eksperymentu w NIF, a przy wkładzie 1,9 MJ uzyskany wynik wyniósł zaledwie 1,3 MJ (ale nawet to było znacznie więcej niż w poprzednich próbach). Później nie udało się tego powtórzyć i pojawiły się głosy, że kontynuacja badań w NIF nie ma przyszłości. Naukowcy jednak nie przerwali pracy, osiągając tym razem historycznie znaczący wynik. Na wejściu było 2,05 MJ, ale na wyjściu uzyskano 3,15 MJ, co daje zysk 1,1 MJ energii (ok. 54% więcej). Nie jest to jednak ogromne wartości. Po konwersji daje to około 0,3 kWh (300 Wh), co wystarczyłoby na naładowanie około 15 telefonów z baterią 5000 mAh, przejechanie około 1,5 km samochodem elektrycznym czy zagotowanie wody w standardowym czajniku.

Niestety tutaj pozytywne wieści się kończą. Podczas testu zepsuły się niektóre urządzenia pomiarowe, co komplikuje całą analizę testu. Aby synteza jądrowa służyła jako elektrownia czystej energii, takie zapłony musiałyby zachodzić w sposób ciągły, z czym obecny obiekt nie jest w stanie sobie poradzić. Wytwarzanie energii elektrycznej w przyrostach rzędu kilkudziesięciu kWh przy kilkugodzinnym chłodzeniu lasera jest nierealne. Mamy jednak inny poważny problem, który sprowadza całą sprawę na ziemię. Same lasery miały wprawdzie energię wyjściową około 2 MJ, ale żeby to osiągnąć, na ich wejściu potrzeba było około 300 MJ energii. W efekcie skończyło się na tym, że naukowcy otrzymali niewiele ponad setną część z 300 MJ, czyli zaledwie 3,15 MJ. Oznacza to, że choć wyniki są obiecujące, do budowy pierwszej elektrowni termojądrowej jeszcze daleko. 

„Wynik NIF pokazuje, że fuzja bezwładnościowa może uwolnić więcej energii z syntezy jądrowej, niż jest zużywana na ogrzewanie paliwa. To ogromny impuls dla wszystkich wysiłków związanych z syntezą jądrową i podniesie ambicje we wszystkich dziedzinach” — powiedziała dr Valerie Jamieson, menedżer technologii Fusion Cluster z UK Atomic Energy Authority, który nie był zaangażowany w badania. „Należy pamiętać, że NIF to eksperyment, a nie elektrownia, a jego specyficzne podejście wykorzystujące 192 lasery dużej mocy nie jest opłacalne komercyjnie. To powiedziawszy, ten wynik jest naprawdę ważny dla komercyjnych wysiłków związanych z syntezą jądrową, które działają na rzecz elektrowni. Wciąż istnieją wyzwania do pokonania, ale nigdy nie byliśmy bliżej fuzji”.