Zwięźle o fuzyjnym eksperymencie NIF

Długo na to czekaliśmy: fizycy przynieśli do laboratorium dwa wiaderka energii, a wynieśli trzy. Pozostaje tylko pytanie, czy był to krok, czy może już skok w kierunku praktycznego wykorzystania fuzji termojądrowej.

NIF nie został zaprojektowany z myślą o wydajności. To największy laser, jaki mogliśmy zbudować, który dostarcza nam danych badawczych.

Mark Herrmann

Temat energetyki termojądrowej jest maglowany na tyle często, że łatwo przy nim o dezorientację i dezinformację. Chyba nie pamiętam miesiąca, w którym jakiś portal nie wyskoczyłby z nagłówkiem obwieszczającym tysięczny przełom w budowie “sztucznego Słońca” (nie cierpię tej nazwy) – a jeżeli wszystko jest przełomem, choć realnie nic się nie zmienia, to słowo traci na mocy. Jednak wydaje się, że kilka dni temu naprawdę nastąpiło coś interesującego. Na tyle wartego uwagi, że głos zabrała administracja Stanów Zjednoczonych, a Lawrence Livermore National Laboratory urządziło niemal dwugodzinną konferencję prasową.

Konferencja Department of Energy, National Nuclear Security Administration oraz Lawrence Livermore National Laboratory.

Z oficjalnego komunikatu dowiedzieliśmy się, że podczas eksperymentu przeprowadzonego 5 grudnia 2022 roku po raz pierwszy w dziejach zainicjowano kontrolowaną reakcję termojądrową[1], w ramach której uzyskano więcej energii niż w nią włożono. Analiza rezultatów wykazała, że po dostarczeniu do układu 2,05 megadżula udało się wyzwolić 3,15 megadżula. Otrzymano zatem zysk energetyczny na poziomie 54%. To więcej niż dobra wiadomość, ponieważ od kiedy siedemdziesiąt lat temu uruchomiono pierwszy radziecki tokamak, bilans podobnych testów był zawsze ujemny.

Jak Amerykanie zdołali złapać fuzyjnego króliczka? Wszystko odbyło się w murach należącego do podległego LLNL kompleksu National Ignition Facility (czyli Narodowego Zakładu Zapłonu) w Livermore, rzut beretem od San Francisco[2]. Rdzeniem NIF jest ogromny i precyzyjny system laserowy, zdolny do skupienia 192 arcypotężnych wiązek na celu o wielkości ziarna kukurydzy, podgrzewając go do 180 milionów stopni. Mówimy zatem o temperaturze ponad dwanaście razy wyższej od piekła panującego w jądrze Słońca – choć utrzymanej tylko przez ułamek sekundy.

Jak działa NIF (National Ignition Facility)
Całą wędrówkę fotonów wewnątrz NIF możecie obejrzeć w tym filmie.

Samo urządzenie stanowi niesamowity popis współczesnej inżynierii. Wstępny impuls o energii zaledwie miliardowej części dżula, zostaje zmuszony do przebycia półtorakilometrowego biegu z przeszkodami, najeżonego licznymi wzmacniaczami, światłowodami, zwierciadłami, rozdzielaczami, filtrami i elektrodami plazmowymi. W czasie tej wędrówki niepozorna wiązka fotonów w 5 mikrosekund zostaje wzmocniona ponad biliard razy, zamieniając się na wylocie w prawdziwy ultrafioletowy promień śmierci. W ramach projektu 192 takie promienie zostają wycelowane w kilkumilimetrową aluminiową kapsułkę z paliwem zawieszoną w hohlraum, czyli ciężkim, zwykle złotym pojemniczku o kształcie cylindra.

Hohlraum z paliwem termojądrowym
W mierzącym nieco ponad centymetr wysokości hohlraum zamknięta jest kapsułka z odrobiną paliwa termojądrowego – deuterem i trytem.

Może nie są to optymalne warunki do przygotowywania popcornu, ale nadają się idealnie do łączenia jąder deuteru i trytu. Jeśli nie wiecie dlaczego synteza przysparza tylu kłopotów lub skąd w całym tym procesie bierze się energia – zachęcam was do przejrzenia przekrojowego artykułu na ten temat. Tutaj przypomnę tylko, że przeprowadzenie reakcji termojądrowej np. przez fuzję dwóch izotopów wodoru w jeden cięższy izotop helu 4He, wymaga przezwyciężenia bariery kulombowskiej, czy mówiąc prościej sił elektrostatycznych. Samodzielne, ogołocone z elektronów jądro każdego atomu jest naładowane dodatnio, zatem w naturalny sposób odpycha inne jądra. Zadaniem tokamaków, stellaratorów, superlaserów i reszty drogich, wymyślnych urządzeń pozostaje siłowe złamanie ich oporu.

Reakcja fuzji termojądrowej

Naukowcom z NIF udało się tego dokonać, dostarczając do układu mniej energii niż z niej wyciągnięto. Czy możemy więc mówić o dużym sukcesie? Jak najbardziej. Ale czy znaleźliśmy się o krok od ujarzmienia energii gwiazd i lada dzień będziemy wznosić przemysłowe reaktory termojądrowe? Zdecydowanie nie. Przede wszystkim musimy dodać do ostatecznego rachunku jeszcze jeden czynnik, na który wiele osób nie zwróciło uwagi. Autorzy artykułu z Nature przypominają, że 192 lasery NIF zużyły w czasie eksperymentu… 322 megadżule. Znacznie, znacznie więcej niż to, co udało się wykrzesać z fuzji. Ale jak to, przecież przedtem pisałeś, że wykorzystano tylko 2,05 megadżula, a wyzwolono 3,15 megadżula! To prawda, ale przywołane wartości nie uwzględniają zasilania sprzętu, lecz wyłącznie to, co dzieje się wewnątrz hohlraum – bilans samej reakcji. Innymi słowy, 2 megadżule to energia wiązek lasera, dostarczona bezpośrednio do kapsułki, zaś 3 megadżule to energia, która “trysnęła” z wodorowego paliwa. I to w tej małej, doświadczalnej skali udało się osiągnąć nadwyżkę energetyczną.

Mimo to, minęliśmy ważny kamień milowy, potwierdzający że poskromienie fuzji pozostaje w zasięgu naszych możliwości. Stąd do celu już bliżej niż dalej. Jednak jeżeli ktoś przypuszczał, że będziemy mogli darować sobie budowę nowych reaktorów jądrowych i wyczekiwać podłączenia do sieci pierwszych elektrowni termojądrowych – raczej przeżyje rozczarowanie.

Literatura uzupełniająca:
National Ignition Facility achieves fusion ignition, [online: www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition];
J. Tollefson, E. Gibney, Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean?, “Nature”, [online: www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7];
How NIF Works, [online: www.lasers.llnl.gov/about/how-nif-works]
Rugby Hohlraum Kicks Up NIF’s Energy Efficiency, [online: https://lasers.llnl.gov/news/rugby-hohlraum-kicks-up-nif-energy-efficiency];
D. Montgomery, Y. Ping, V. Smalyuk, Enhanced energy coupling for indirectly driven inertial confinement fusion, “Nature Physics”, vol. 15, 2019.
[+]
Hipoteza to nie teoria. Zapamiętaj! Ostatnie lądowanie promu Atlantis. Zmierzch epoki wahadłowców 7 naukowych seks skandalistów