Amerykańscy naukowcy ogłosili coś, co nazwali wielkim przełomem w długo nieuchwytnym celu, jakim jest tworzenie energii z syntezy jądrowej.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych poinformował 13 grudnia 2022 r., że po raz pierwszy — i to po kilkudziesięciu latach prób — naukowcom udało się wydobyć z procesu więcej energii niż musieli włożyć.
Ale jak znaczący jest rozwój? A jak odległy jest długo oczekiwany sen o syntezie jądrowej dostarczającej obfitej, czystej energii? Karolina Kuranz, profesor nadzwyczajny inżynierii jądrowej na Uniwersytecie Michigan, który pracował w obiekcie, który właśnie pobił rekord syntezy jądrowej, pomaga wyjaśnić ten nowy wynik.
Co wydarzyło się w komorze termojądrowej?
fuzja jest reakcją jądrową, w której dwa atomy łączą się, tworząc jeden lub więcej nowych atomów o nieco mniejszej masie całkowitej. Różnica masy jest uwalniana jako energia, jak opisuje słynne równanie Einsteina, E = mc2 , gdzie energia równa się masie razy prędkość światła do kwadratu. Ponieważ prędkość światła jest ogromna, przekształcenie niewielkiej ilości masy w energię — tak jak dzieje się to w przypadku fuzji — wytwarza podobnie ogromną ilość energii.
Naukowcy z rządu USA Krajowy Zakład Zapłonu w Kalifornii po raz pierwszy zademonstrowali tak zwany „zapłon termojądrowy”. Zapłon ma miejsce, gdy reakcja syntezy jądrowej wytwarza więcej energii niż jest wprowadzana do reakcji ze źródła zewnętrznego i staje się samowystarczalna.
Technika zastosowana w National Ignition Facility polegała na wystrzeleniu 192 laserów z odległości ok 0.04 cala (1 mm) granulki paliwa wykonany z deuteru i trytu — dwóch wersji pierwiastka wodoru z dodatkowymi neutronami — umieszczonych w złotym pojemniku. Kiedy lasery uderzają w kanister, wytwarzają promienie rentgenowskie, które podgrzewają i ściskają granulkę paliwa do około 20-krotnej gęstości ołowiu i do ponad 5 milionów stopni Fahrenheita (3 miliony stopni Celsjusza) - około 100 razy cieplej niż powierzchnia słońce. Jeśli możesz utrzymać te warunki przez wystarczająco długi czas, paliwo stopi się i uwolni energię.
Podczas eksperymentu paliwo i kanister odparowują w ciągu kilku miliardowych części sekundy. Naukowcy mają nadzieję, że ich sprzęt przetrwa ciepło i dokładnie zmierzy energię uwolnioną w reakcji syntezy jądrowej.
Co więc osiągnęli?
Aby ocenić powodzenie eksperymentu z syntezą jądrową, fizycy przyglądają się stosunkowi między energią uwolnioną w procesie syntezy jądrowej a ilością energii w laserach. Ten stosunek jest zwany zyskiem.
Zysk powyżej jednego oznacza, że proces syntezy jądrowej uwolnił więcej energii niż dostarczyły lasery.
5 grudnia 2022 r. National Ignition Facility wystrzelił kulkę paliwa z energią lasera o energii dwóch milionów dżuli – mniej więcej tyle energii, ile potrzeba do uruchomienia suszarki do włosów przez 15 minut – a wszystko to w ciągu kilku miliardowych części sekundy. To wywołało reakcję fuzji, która uwolnił trzy miliony dżuli. To wzrost o około 1.5, pobijając poprzedni rekord wzrostu 0.7 osiągnięte przez obiekt w sierpniu 2021 r.
Jak duży jest ten wynik?
Energia termojądrowa jest „świętym Graalem” produkcji energii prawie pół wieku. Chociaż wzrost o 1.5 jest, jak sądzę, prawdziwie historycznym przełomem naukowym, wciąż pozostaje wiele do zrobienia, zanim synteza jądrowa stanie się realnym źródłem energii.
Podczas gdy energia lasera wynosząca 2 miliony dżuli była mniejsza niż wydajność syntezy jądrowej wynosząca 3 miliony dżuli, obiekt potrzebował prawie 300 milionów dżuli do produkcji laserów użyte w tym eksperymencie. Ten wynik pokazał, że zapłon termojądrowy jest możliwy, ale poprawa wydajności do punktu, w którym fuzja może zapewnić dodatni zwrot energii netto, będzie wymagała dużo pracy, biorąc pod uwagę cały system od końca do końca, a nie tylko pojedyncza interakcja między laserami a paliwem.
Co wymaga poprawy?
Istnieje wiele elementów układanki syntezy jądrowej, które naukowcy stale ulepszają od dziesięcioleci, aby uzyskać ten wynik, a dalsze prace mogą sprawić, że proces ten będzie bardziej wydajny.
Najpierw były tylko lasery wynaleziony w 1960. Kiedy rząd USA w 2009 roku zakończono budowę Krajowego Zakładu Rozpaleniowego, był to najpotężniejszy zakład laserowy na świecie, który był w stanie dostarczyć milion dżuli energii do celu. Dwa miliony dżuli, które obecnie wytwarza, to 50 razy więcej energii niż następny najpotężniejszy laser na Ziemi. Mocniejsze lasery i mniej energochłonne sposoby wytwarzania tych potężnych laserów mogą znacznie poprawić ogólną wydajność systemu.
Warunki fuzji są bardzo trudne do utrzymania, i jakikolwiek mała niedoskonałość w kapsułce lub paliwie może zwiększyć zapotrzebowanie na energię i zmniejszyć wydajność. Naukowcy poczynili duże postępy efektywniej przenosić energię z lasera do kanistra oraz Promieniowanie rentgenowskie z kanistra do kapsuły paliwowej, ale obecnie tylko ok 10 do 30 procent całkowitej energii lasera jest przekazywana do kanistra i do paliwa.
Wreszcie, podczas gdy jedna część paliwa, deuter, jest naturalnie obfity w wodę morską, tryt jest znacznie rzadszy. Fuzja sama w sobie produkuje tryt, więc naukowcy mają nadzieję opracować sposoby bezpośredniego zbierania tego trytu. Tymczasem są inne dostępne metody produkcji potrzebnego paliwa.
Te i inne przeszkody naukowe, technologiczne i inżynieryjne będą musiały zostać pokonane, zanim fuzja będzie wytwarzać energię elektryczną dla Twojego domu. Konieczne będą również prace, aby znacznie obniżyć koszt elektrowni termojądrowej 3.5 miliarda USD na National Ignition Facility. Kroki te będą wymagały znacznych inwestycji zarówno ze strony rządu federalnego, jak i przemysłu prywatnego.
Warto zauważyć, że istnieje globalny wyścig wokół syntezy jądrowej, z wieloma innymi laboratoriami na całym świecie podążając różnymi technikami. Ale dzięki nowym wynikom z National Ignition Facility świat po raz pierwszy ujrzał dowody na to, że marzenie o fuzji jest osiągalne.
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Kredytowych Image: Departament Energii USA/Lawrence Livermore National Laboratory
