Podstawowy obraz atomu. Wyniki eksperymentów z syntezą jądrową, które osiągnęły zapłon w zeszłym roku, nie zostały potwierdzone w recenzowanych artykułach. Zdjęcie: ISTOCK / GETTY OBRAZY PLUS
Wielki przełom w dziedzinie fuzji jądrowej został potwierdzony rok po tym, jak osiągnięto go w laboratorium w Kalifornii. Naukowcy z National Ignition Facility (NIF), placówki należącej do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), zarejestrowali pierwszy przypadek zapłonu 8 sierpnia 2021 roku, którego wyniki zostały teraz opublikowane w trzech recenzowanych pracach.
Fuzja jądrowa jest procesem, który zasila Słońce i inne gwiazdy: ciężkie atomy wodoru zderzają się z wystarczającą siłą, aby połączyć się w atom helu, uwalniając duże ilości energii jako produkt uboczny. Gdy plazma wodorowa „zapłonie”, reakcja fuzji staje się samowystarczalna, a same fuzje wytwarzają wystarczająco dużo energii, aby utrzymać temperaturę bez zewnętrznego ogrzewania.
Zapłon podczas reakcji termojądrowej oznacza zasadniczo, że sama reakcja wytworzyła wystarczającą ilość energii, by być samowystarczalną, co byłoby konieczne przy wykorzystaniu fuzji do wytwarzania energii elektrycznej.
Gdybyśmy mogli wykorzystać tę reakcję do wytwarzania energii elektrycznej, byłoby to jedno z najbardziej wydajnych i najmniej zanieczyszczających środowisko źródeł energii. Nie byłyby potrzebne żadne paliwa kopalne, ponieważ jedynym paliwem byłby wodór, a jedynym produktem ubocznym byłby hel, którego używamy w przemyśle, i którego w rzeczywistości mamy niedobór.
Problem z energią termojądrową polega obecnie na tym, że nie mamy możliwości technicznych, aby wykorzystać tę moc. Naukowcy z całego świata pracują obecnie nad rozwiązaniem tych problemów.
Osiągając ten najnowszy kamień milowy w LLNL, naukowcy zarejestrowali wydajność energetyczną ponad 1,3 megadżuli (MJ) w ciągu zaledwie kilku nanosekund. Dla odniesienia, jeden MJ to energia kinetyczna masy jednej tony poruszającej się z prędkością 100mph [161 km/h].
„Rekordowy strzał był dużym postępem naukowym w badaniach nad fuzją, który ustanawia, że zapłon fuzji w laboratorium jest możliwy w NIF” – powiedział w oświadczeniu Omar Hurricane, główny naukowiec programu fuzji z uwięzieniem inercyjnym LLNL.
„Osiągnięcie warunków niezbędnych do zapłonu było długoletnim celem wszystkich badań nad uwięzieniem inercyjnym fuzji i otwiera dostęp do nowych metod eksperymentalnych, w których samonagrzewanie cząstek alfa przewyższa wszystkie mechanizmy chłodzenia w plazmie fuzji”.
W eksperymentach przeprowadzonych w celu osiągnięcia takiego wyniku zapłonu, badacze podgrzewają i sprężają centralny „punkt zapalny” paliwa deuterowo-trytowego (atomy wodoru posiadające odpowiednio jeden i dwa neutrony) za pomocą otaczającego go gęstego tłoka również wykonanego z deuteru-trytu, tworząc super gorącą, super sprężoną plazmę wodorową.
„Do zapłonu dochodzi, gdy ogrzewanie od absorpcji cząstek α [dwóch protonów i dwóch neutronów ciasno związanych ze sobą] powstałych w procesie fuzji pokonuje na pewien czas mechanizmy strat w układzie” – stwierdzili autorzy w pracy publikującej wyniki w czasopiśmie „Physical Review E”.
Ten przełomowy wynik pojawia się po latach badań i tysiącach godzin pracy poświęconych na ulepszanie i doskonalenie procesu: w pracy Physical Review Letters jest uwzględnionych ponad 1000 autorów.
Pomimo że kolejne próby nie były w stanie osiągnąć takiej samej wydajności energetycznej jak eksperyment z sierpnia 2021 roku, wszystkie osiągnęły wyższe energie niż poprzednie eksperymenty. Dane z tych kontynuacji pomogą naukowcom w dalszym usprawnianiu procesu fuzji i dalszym badaniu fuzji jądrowej jako realnej opcji wytwarzania energii elektrycznej w przyszłości.
„To niezwykle ekscytujące mieć «dowód istnienia» zapłonu w laboratorium” – powiedział Hurricane w oświadczeniu. „Działamy według metody, do której żaden naukowiec nie miał dostępu od czasu zakończenia prób jądrowych i jest to niesamowita okazja do poszerzenia naszej wiedzy w miarę postępów”.