Ostatnie doniesienia naukowców badających nowy rodzaj technologii syntezy jądrowej są zachęcające, ale wciąż jesteśmy w pewnej odległości od „świętego Graala czystej energii”.
Technologia, opracowana przez Heinricha Horę i jego współpracowników z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, wykorzystuje potężne lasery do łączenia atomów wodoru i boru, uwalniając cząsteczki o wysokiej energii, które można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej.
Jednak, podobnie jak w przypadku innych rodzajów technologii syntezy, wyzwanie polega na stworzeniu maszyny, która może niezawodnie zainicjować reakcję i wykorzystać wytwarzaną energię.
Co to jest energia termojądrowa?
Fuzja to proces, który napędza słońce i gwiazdy. Dzieje się tak, gdy jądra dwóch atomów są tak blisko siebie, że łączą się w jeden, uwalniając przy tym energię.
Jeśli reakcję można powtórzyć w laboratorium, może ona zapewnić praktycznie nieograniczoną moc obciążenia podstawowego przy praktycznie zerowym śladzie węglowym.
Najprostszą reakcją, jaką można zainicjować w laboratorium, jest fuzja dwóch różnych izotopów wodoru: deuteru i trytu. Produkt reakcji to jon helu i szybko poruszający się neutron. Większość dotychczasowych badań nad syntezą dotyczyła tej reakcji.
Fuzja deuteru i trytu działa najlepiej przy około 100 000 000 ℃. Uwięzienie w plazmie to nazwa nadana płomieniowemu stanowi materii w takich temperaturach.
Wiodące podejście do wykorzystywania sił syntezy jądrowej nosi nazwę toroidalnego ograniczenia magnetycznego. Cewki nadprzewodzące służą do wytworzenia pola około milion razy silniejszego niż ziemskie pole magnetyczne, które zawiera plazmę.
Naukowcy osiągnęli już fuzję deuteru i trytu w eksperymentach w USA (reaktor testowy do fuzji w Tokamaku) i Wielkiej Brytanii (United European Torus). Rzeczywiście, w tym roku brytyjski eksperyment przeprowadzi kampanię syntezy deuteru i trytu.
Eksperymenty te inicjują reakcję fuzji przy użyciu masywnego zewnętrznego ogrzewania, a podtrzymanie reakcji wymaga więcej energii niż sama reakcja.
Następna faza dużych badań nad połączeniami obejmie eksperyment zwany ITER (łac. Ścieżka), który ma zostać zbudowany na południu Francji. W ITER ograniczone jony helu wytwarzane w reakcji będą wytwarzać tyle energii, co źródła zewnętrzne. Ponieważ szybki neutron przenosi cztery razy więcej energii niż jon helu, moc wzrośnie pięciokrotnie.
Jaka jest różnica między stosowaniem wodoru a boru?
Technologia, o której poinformował Hora i jego współpracownicy, polega na zastosowaniu lasera do wytworzenia bardzo silnego ograniczającego pola magnetycznego oraz drugiego lasera do podgrzania granulatu paliwa wodorowego do punktu zapłonu.
Kiedy jądro wodoru (jeden proton) łączy się z jądrem boru-11, powstają trzy energetyczne jądra helu. W porównaniu z reakcją deuter-tryt, zaletą jest to, że nie ma neutronów, które są trudne do zatrzymania.
Rozwiązaniem Hory jest użycie lasera do podgrzania małej peletki paliwa do temperatury zapłonu oraz innego lasera do podgrzania metalowych cewek w celu wytworzenia pola magnetycznego, które będzie zawierało plazmę.
Technologia wykorzystuje bardzo krótkie impulsy laserowe trwające zaledwie nanosekundy. Wymagane pole magnetyczne byłoby niezwykle silne, około 1000 razy silniejsze niż pole używane w eksperymentach z deuterem i trytem.
Hora i współpracownicy argumentują, że ich proces spowoduje „efekt lawiny” w peletach paliwowych, co oznacza, że nastąpi znacznie więcej fuzji, niż można by się spodziewać.
Chociaż istnieją dowody eksperymentalne potwierdzające niewielki wzrost szybkości reakcji fuzji poprzez dostosowanie wiązki laserowej i celu, dla porównania z reakcjami deuter-tryt, efekt lawinowy musiałby zwiększyć szybkość reakcji fuzji o ponad 100 000 razy przy 100 000 000 ℃.
Eksperymenty z wodorem i borem z pewnością przyniosły ekscytujące wyniki fizyczne, ale przewidywania Hory i współpracowników dotyczące pięcioletniej drogi do uzyskania energii termojądrowej wydają się przedwczesne. Inni naukowcy już próbowali uruchomić syntezę laserową. Na przykład próbowali uzyskać zapłon w wyniku fuzji wodoru i deuteru za pomocą 192 wiązek laserowych skupionych na małym celu.
Te eksperymenty osiągnęły jedną trzecią warunków wymaganych dla jednego eksperymentu. Problemy obejmują precyzyjne pozycjonowanie celu, nieregularności wiązki laserowej i niestabilność spowodowaną eksplozjami.
Rozwój energetyki termojądrowej będzie najprawdopodobniej realizowany w ramach głównego programu międzynarodowego opartego na eksperymencie ITER. Australia prowadzi międzynarodową współpracę z projektem ITER w dziedzinie teorii i modelowania, materiałoznawstwa i technologii.
Matthew Hole, starszy pracownik naukowy, Institute of Mathematical Sciences, Australian National University.
Ten artykuł został opublikowany przez The Conversation.
Źródła: Zdjęcie: CCFE / JET
