Teoretycznie energia termojądrowa to najwspanialsze możliwe źródło czystego prądu. Paliwem są izotopy wodoru, które możemy uzyskać ze zwykłej wody morskiej. Reakcje termojądrowe zachodzą we wnętrzach gwiazd, ale można je przeprowadzać także na Ziemi, co wiadomo od czasu testu pierwszej bomby wodorowej. Największy problem techniczny polega na uzyskaniu większej kontroli nad tym procesem. A także na tym, by reakcja dostarczała więcej energii, niż musieliśmy włożyć w jej zainicjowanie.
Coś takiego udało się właśnie fizykom z amerykańskiego National Ignition Facility (NIF), części Lawrence Livermore National Laboratory. 5 grudnia po raz pierwszy reaktor termojądrowy wyprodukował tam nadwyżkę energii. – To wielki przełom. Bardzo ekscytujące osiągnięcie – mówi niezwiązana z zespołem NIF Anne White, fizyczka z Massachusetts Institute of Technology. Czy oznacza to, że wkrótce powstaną pierwsze elektrownie termojądrowe?
Co to jest reakcja termojądrowa?
Reakcja termojądrowa (zwana inaczej fuzją termonuklearną) polega na łączeniu się lżejszych jąder w cięższe. Wskutek reakcji fuzji termojądrowej np. z wodoru może powstać hel. Jest ona źródłem energii we wnętrzu gwiazd. Opanowanie tej technologii dałoby naszej cywilizacji „czystą” energię na miliony lat.
Niestety, jądra atomowe nie lubią się łączyć – odpychają je od siebie siły elektrostatyczne. W gwiazdach do reakcji termojądrowej dochodzi dzięki bardzo wysokim ciśnieniu i temperaturze oraz tunelowaniu kwantowemu. To zjawisko umożliwia pokonanie odpychania jąder atomów w temperaturze niższej, niż wynikałoby to z praw termodynamiki. Zachodzi rzadko, ale liczba atomów we wnętrzu gwiazdy jest olbrzymia.
Efekt skali sprawia, że zdarza się wystarczająco często, by fuzja w gwiazdach zachodziła. Na Ziemi jedynym rozwiązaniem pozostaje podwyższanie temperatury i ciśnienia do poziomów znacznie wyższych niż w gwiazdach. Takie warunki bardzo trudno jest stworzyć.
Jak przeprowadzić reakcję termojądrową na Ziemi?
Gaz rozgrzany do tak wysokich temperatur nazywany jest plazmą. Niezwykle trudno utrzymać ją w miejscu. Jest to główny problem techniczny, z którym inżynierowie borykają się od początków prac nad fuzją, sięgających lat 40. XX wieku. Do kontrolowania plazmy najczęściej wykorzystywane jest silne pole magnetyczne.
Tak dzieje się w reaktorach termojądrowych, których komora ma kształt obwarzanka, zwanych tokamakami. Należy do nich budowany na południu Francji ITER, który ma dowieść, że proces fuzji termojądrowej może być stabilny. Zgodnie z planem reaktor ma zacząć działać w 2025 r. Do niedawna tokamaki uważano za najbardziej obiecujący pomysł na zbudowanie w przyszłości elektrowni termojądrowej.
Jak działa NIF?
Na osiągnięcie fuzji jest jednak inny sposób niż wytwarzanie plazmy w tokamakach. Można też ściskać i podgrzewać izotopy wodoru za pomocą laserów. Z początku to właśnie ta metoda wydawała się bardziej obiecująca. Okazało się to jednak bardzo trudne i przez pewien czas naukowcy twierdzili, że to ślepa uliczka.
Największe laboratorium pracujące nad tego rodzaju fuzją to właśnie NIF. Przez dekady osiągnęło ono tylko część mocy laserów potrzebnej do rozpoczęcia fuzji. Teraz naukowcom udało się tam zainicjować reakcję termojądrową, która wyprodukowała więcej energii, niż było potrzebne do jej wywołania. To przełom, bo do tej pory żadnemu innemu reaktorowi się to nie udało.
Laboratorium NIF zajmuje powierzchnię trzech boisk do amerykańskiego futbolu. W jego centrum 192 silne wiązki laserowe skierowano na cel wielkości gumki na końcu ołówka. To pojemnik ze złota, w którym znajduje się diamentowa kapsułka wielkości ziarnka pieprzu, wypełniona paliwem termojądrowym. W środku, w obszarze średnicy ludzkiego włosa, zaszła fuzja termonuklearna.
Dostarczyła ona 3,15 megadżula energii, czyli ponad cztery piąte kilowatogodziny (0,875 kWh). Do przeprowadzenia tej reakcji potrzebne było 2,05 megadżula energii (0,57 kWh) w formie światła laserowego.
Do energii termojądrowej droga jeszcze daleka
Z naukowego punktu widzenia jest to wielkie osiągnięcie. Reaktor ITER, o ile zostanie uruchomiony zgodnie z planem, ma „wyjść na plus” dopiero w latach 30. tego stulecia. Wyniki NIF pokazują, że warto też inwestować w laserową fuzję termojądrową.
Takie inwestycje będą niezbędne. NIF powstał jako placówka badająca broń termojądrową. Jego celem nie była produkcja energii. Koszt budowy tego laboratorium to 3,5 mld dolarów. By zbudować jego następcę potrzebne będą znacznie większe pieniądze i ogromny wysiłek naukowców.
Zbudowanie elektrowni termojądrowej bazującej na technologii NIF będzie jeszcze większym wyzwaniem. Wydajność reakcji wciąż nie jest taka, aby faktycznie wychodziła ona na plus. Do wyprodukowania 2,05 megadżula energii w formie światła laserowego, które doprowadziło do reakcji termojądrowej, trzeba było zużyć znacznie więcej energii elektrycznej.
Poza tym obecnie wielkie laboratorium NIF jest w stanie doprowadzić do jednej takiej reakcji na dzień. W elektrowni takich reakcji powinno odbywać się 10 w ciągu sekundy. To oznacza „spalenie” laserami miliona kapsułek z paliwem termojądrowym dziennie. Na razie nikt jeszcze nie wie, jak to zrobić w sposób, który będzie ekonomicznie sensowny.
