Przełom w badaniach nad fuzją termojądrową. Kiedy tania i czysta energia z wodoru?

Pierwszy przeciek opublikował “Financial Times”, który w niedzielę 11 grudnia doniósł o możliwym przełomie w kontrolowanej fuzji termojądrowej prowadzonej w National Ignition Facility (NIF) należącej do amerykańskiego Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Laboratorium nie skomentowało przecieków, ale zapowiedziało, że we wtorek o 16:00 naszego czasu ogłosi “naukowy przełom”. Na konferencji prasowej przedstawiciele LLNL w obecności sekretarza departamentu energii i szefa agencji bezpieczeństwa nuklearnego USA, potwierdzili to, o czym media spekulowały w poniedziałek.

Ogłoszono, że 5 grudnia 2022 roku po raz pierwszy udało się uzyskać z fuzji więcej energii, niż włożono w rozpoczęcie tej reakcji.

W Livermore udawało się już (i to wiele razy) zainicjować proces fuzji. Jednak nigdy wcześniej nie uzyskano więcej energii niż włożono, by ją rozpocząć. Czy tym razem się udało? I tak, i nie. Zależy, jak liczyć i o tym za chwilę. Na razie wyjaśnijmy, czym w ogóle jest fuzja termojądrowa.

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak i ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Będziemy rozbrajać mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I pisać o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.

Energia ze zderzenia atomowych jąder

Fuzja termojądrowa polega na łączeniu się lekkich jąder atomowych w cięższe z uwolnieniem olbrzymich ilości energii. Jest jej cztery do pięciu razy więcej niż podczas rozpadu ciężkich jąder atomowych na lżejsze, czyli procesu, który wykorzystują elektrownie jądrowe.

Paliwem do fuzji może być wodór, którego na Ziemi mamy pod dostatkiem - można pozyskiwać go z wody. W fuzji termojądrowej z jąder wodoru powstają jądra helu oraz strumień neutronów.

Niestety, jądra atomowe nie lubią się łączyć – odpychają je od siebie siły elektrostatyczne. Są niezwykle silne. Żeby je pokonać, gaz trzeba rozgrzać do milionów stopni i ścisnąć do milionów atmosfer. Tak rozgrzany gaz nazywany jest plazmą.

[Wnikliwi czytelnicy mogą mieć zastrzeżenie, że w gwiazdach proces fuzji jąder zachodzi dzięki tunelowaniu kwantowemu, a temperatura i ciśnienie mają znaczenie drugorzędne. Zjawisko to zachodzi rzadko, ale ilość wodoru w gwieździe jest olbrzymia. Na Ziemi ekstremalne temperatury i ciśnienie, wyższe niż w gwiazdach, są jedynym sposobem, by zainicjować fuzję.]

Nie ma możliwości katastrofalnej reakcji łańcuchowej (jak w reaktorach jądrowych, wykorzystujących rozpady atomowych jąder). Gdy do reaktora termojądrowego przestaje napływać energia, proces po prostu wygasa. Nie ma też zbyt wiele promieniowania ani radioaktywnych odpadów.

Z tego powodu fuzję można przeprowadzić nawet w domu. Na świecie jest kilkadziesiąt niewielkich fuzorów (głównie w placówkach naukowych, ale i w domach zapaleńców-amatorów). Zachodzi w nich termojądrowa fuzja, ale pochłaniają więcej energii, niż wytwarzają.

Strzał gigantycznych laserów w mikroskopijne kapsułki

W National Ignition Facility ściskane i podgrzewane są malutkie, bo ważące zaledwie setki części grama, kapsułki z izotopami wodoru. Gdy rozpoczynano pracę nad fuzją termojądrową w latach 50. ubiegłego wieku (a więc prawie siedem dekad temu), ten sposób wydawał się bardzo obiecujący.

Okazał się jednak niezwykle trudny technicznie. Przez dekady niewiele osiągnięto, głównie z powodu niewystarczającej do rozpoczęcia fuzji mocy laserów. Dopiero w 2015 roku osiągnięto jedną trzecią tej granicy. Ale potem postęp przyspieszył. W sierpniu ubiegłego roku badacze z NIF ogłosili, że udało im się osiągnąć odpowiednią moc laserów i zainicjować fuzję. Nie przyniosła wtedy nadwyżki energii.

Impuls laserów NIF, który rozpoczął fuzję 5 grudnia, dostarczył do kapsułki z wodorem 2,05 megadżula (miliona dżuli) energii. Z fuzji uzyskano 3,15 megadżuli, co oznacza 54 procent, ponad milion dżuli nadwyżki. “Miliony dżuli” brzmią oszałamiająco, ale to tylko nieco ponad ćwierć kilowatogodziny. Taka ilość wystarczy do zagotowania czajnika wody kilkanaście razy, a nie napędzenia elektrowni.

Lasery NIF (które zajmują powierzchnię trzech boisk do futbolu, nieco ponad 15 tysięcy metrów kwadratowych) nie nadają się też do produkcji energii w trybie ciągłym. Po olbrzymim impulsie muszą ostygnąć, co trwa około dziesięciu godzin. W najlepszym wypadku mogłyby działać dwa razy na dobę.

Jest jeszcze jeden, znacznie istotniejszy problem. Laserowa wiązka nie bierze się znikąd.

Sukces NIF jest więc trochę księgową sztuczką. To tak, jakby ucieszyć się z rozpalenia pieca elektrowni na węgiel i zapomnieć, że dostarczają go lokomotywy, które spalają w kotłach sto razy więcej paliwa niż trafiło do pieca elektrowni. Co do zasady piec działa, tyle że to działanie jest zupełnie nieopłacalne.

Dodajmy do tego, że budowa NIF kosztowała 3,5 miliarda dolarów. To nie jest praktyczne źródło energii i nigdy nim nie będzie. By opracować sposób wykorzystania fuzji termojądrowej na większą skalę, trzeba będzie dekad pracy fizyków i inżynierów.

Jednak nie ma co wybrzydzać, bo NIF nigdy nie powstawał z myślą o produkcji energii, lecz miał pracować nad bronią termojądrową. Miał badać proces fuzji, który zachodzi (acz w niekontrolowany sposób) w wybuchach bomb termojądrowych.

Czy ten przełom w fuzji jądrowej zmieni świat?

Kiedyś na pewno. Teraz jest jeszcze dużo za wcześnie, by o tym spekulować. Na razie energetyka termojądrowa znajduje się w tym miejscu, w którym znajdował się transport lotniczy po pierwszym locie braci Wright. W 1903 roku udowodnili, że maszyny cięższe od powietrza mogą latać, ale na rozwój lotnictwa trzeba było poczekać pół wieku.

W dodatku, to, co Amerykanie właśnie celebrowali, Europejczycy i Chińczycy osiągnęli już jakiś czas temu i z dużo mniejszą pompą.

Jest bowiem inny sposób na fuzję niż strzelanie do kapsułek wodoru laserami o wielkiej mocy. To uwięzienie wodoru w polu magnetycznym i podgrzanie go do temperatury milionów stopni za pomocą mikrofal. Jednak i ta metoda jest skomplikowana. Wymaga budowy wielkich i złożonych instalacji, wyposażonych w gigantyczne magnesy. To tokamaki.

Czy wiedzą Państwo, gdzie panuje najwyższa w Układzie Słonecznym temperatura? W Culham nad Tamizą, w brytyjskim hrabstwie Oxfordshire. Mieści się tam JET (Joint European Torus), największy tokamak, którego budowę rozpoczęto jeszcze w 1978 roku. Podczas zapłonu termojądrowego temperatura plazmy osiąga w nim 150 milionów stopni Celsjusza.

Pierwszą fuzję przeprowadzono w nim już w listopadzie 1991 roku. Sześć lat później osiągnął swój rekord - z 24 MW (megawatów, czyli milionów watów) dostarczonej mocy fuzja przyniosła 16 MW, dwie trzecie tego, co w fuzję “włożono”. Ten rekord pobito dopiero w ubiegłym roku, właśnie w National Ignition Facility w Livermore.

Są także inne reaktory, tokamaki w Niemczech i w Chinach. Osiągały już odpowiednie warunki i fuzja atomowych jąder w nich zachodziła. Również tylko przez kilka sekund. Tak jak w NIF, nie dawała nadwyżki energii. Zasilanie potężnych elektromagnesów i generatorów mikrofal pochłaniało znacznie więcej energii, niż przynosiła fuzja.

Na południu Francji od 2012 roku powstaje ITER, reaktor, w którym reakcja termojądrowa ma się utrzymać dłużej. Ale i on nie powstaje, by produkować energię - nadal będzie zużywał jej więcej niż wyprodukuje fuzja. Ma dowieść, że fuzję termojądrową można utrzymać dłużej niż ułamki sekund. ITER ruszyć ma w 2025 roku, ale fuzję deuteru w tryt (jąder wodoru złożonych z protonu i neutronu w jądra złożone z protonu i dwóch neutronów) rozpocząć dopiero w 2035 roku.

Kiedy więc powstaną elektrownie termojądrowe? Nie liczmy na to przed połową tego stulecia. A do tego czasu powinniśmy przestać spalać paliwa kopalne, by uratować się przed katastrofalnymi zmianami klimatu. Pozostają nam odnawialne źródła energii: słońce i wiatr.

To przełom, ale na technologię poczekamy dekady

Tak czy inaczej, z osiągnięcia w Livermore powinniśmy się cieszyć. Wśród fizyków krążył długo żart, że fuzja termojądrowa jest zawsze odległa tylko o dekadę (i tak już pozostanie). Teraz szanse na to, że w kolejnej dekadzie ludzkość rozpali małe sztuczne Słońca na Ziemi, nieco wzrosły. Zadziałał już drugi sposób na fuzję.

Osiągnięcie fuzji przez badaczy z National Ignition Facility ma znaczenie przede wszystkim psychologiczne. Może eksperymentom naukowym zapewnić strumień pieniędzy na kolejne dekady. Może też przyciągnąć komercyjne firmy, które będą chciały rozwijać tę technologię. Część prywatnych inwestorów już dziś chce budować niewielkie reaktory termojądrowe. Zachęcił ich postęp w dziedzinie modelowania przepływów plazmy (osiągnięto go dopiero w ostatnich latach), dzięki któremu wiemy, jak poprawić istniejące tokamaki lub zbudować nowe i lepsze.

Być może teraz znajdą się chętni także na inwestycje w fuzję laserową. A to da nam dwa potencjalne sposoby na ujarzmienie termojądrowej fuzji.

Co zmieni ujarzmienie procesów zachodzących w gwiazdach? Wszystko. Energię będziemy czerpać z wodoru, który pochodzi z wody. Fuzja jednego grama wodoru daje tyle energii, co spalenie ośmiu ton ropy naftowej lub dziesięciu ton węgla.

Tania energia pozwoli nawet usuwać dwutlenek węgla z atmosfery - bo takie możliwości są już dziś, tyle że nieopłacalne.

Ale jeszcze nie teraz. Teraz trzeba szybko odejść od paliw kopalnych. Mogą stać się zbędne znacznie wcześniej, niż fuzja zacznie przynosić energię.