Na litrze wody morskiej przejedziesz tyle, co na 300 litrach paliwa. Coraz bliżej przełomu

Najkrócej i najprościej. Jesteśmy na dobrej drodze do stworzenia urządzenia, które wyprodukuje więcej energii niż paliwo, którym jest zasilane. To tak jakbyśmy mieli piec, który wyprodukuje z jednej łopaty węgla tyle ciepła, ile inne piece wytwarzały z tony węgla. Czary? Nie, nauka. I tu pojawia się synteza termojądrowa.

Zapłon termojądrowy to zjawisko, które rozpoczyna fuzję termojądrową, w którym reakcja łączenia jąder atomów lekkich (np. wodoru) wytwarza więcej energii, niż jest potrzebne do jej zapoczątkowania. To taki sam proces, który zachodzi w jądrze Słońca i innych gwiazd. Aby do niego doszło, trzeba podgrzać materię do bardzo wysokich temperatur (ponad 100 mln stopni Celsjusza) i poddać ją silnemu ciśnieniu. Wtedy jądra atomowe mogą się zderzać i łączyć, uwalniając ogromne ilości energii.

Przeczytaj także:
- Chińskie sztuczne słońce z nowym rekordem. Czysta i tania energia jest tuż za rogiem
- Przez przypadek uzyskali prąd z powietrza. Marzenie Tesli może się wkrótce spełnić
- Będziemy odbierać energię elektryczną prosto z orbity. Tak działają transmisje mikrofalowe

Zapłon termojądrowy jest marzeniem naukowców od ponad pół wieku. Jeśli udałoby się go kontrolować i wykorzystywać na dużą skalę, to oznaczałoby to rewolucję w energetyce. Fusion energy, czyli kontrolowana synteza termojądrowa, jest bowiem potencjalnie nieskończona, bezpieczna i przyjazna dla środowiska. Nie emituje dwutlenku węgla ani innych gazów cieplarnianych, nie generuje odpadów radioaktywnych ani nie grozi awariami jądrowymi.

Jednak dotychczas nawet zapoczątkowanie tego zjawiska, czyli zapłon termojądrowy, było nieosiągalne dla ludzi. Wymaga ono bowiem bardzo zaawansowanej technologii i ogromnych nakładów finansowych. Największym wyzwaniem jest to, żeby uzyskać tzw. net energy gain, czyli sytuację, w której reakcja termojądrowa produkuje więcej energii, niż jest zużywana do jej zapoczątkowania. Dotychczas wszystkie eksperymenty z reakcjami termojądrowymi były deficytowe energetycznie.

Ale to się zmieniło w 2022 r. Naukowcy z rządowego laboratorium Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Kalifornii ogłosili, że po raz pierwszy w historii osiągnęli zapłon termojądrowy z net energy gain. Użyli do tego największego na świecie lasera o nazwie National Ignition Facility (NIF), który skupia 192 wiązki światła na małej kapsułce z paliwem termojądrowym. W ten sposób stworzyli warunki podobne do tych panujących w jądrze Słońca.

Eksperyment odbył się 5 grudnia 2022 r. i trwał zaledwie kilka sekund. W tym czasie kapsułka z paliwem została skompresowana i podgrzana do temperatury ponad 100 milionów stopni Celsjusza. W jej wnętrzu doszło do reakcji termojądrowej, w której jądra atomów deuteru i trytu (izotopów wodoru) połączyły się w jądra helu i neutrony. Reakcja ta wytworzyła energię równą około 1,3 megadżula (MJ), czyli tyle co spalenie około 30 gramów benzyny. To może wydawać się niewiele, ale trzeba pamiętać, że kapsułka miała średnicę zaledwie 2 milimetrów i masę około 0,0002 grama. Co ważniejsze, energia ta była większa niż energia lasera użyta do zapoczątkowania reakcji, która wynosiła około 1,1 MJ. To oznacza, że osiągnięto zapłon termojądrowy z net energy gain.

To był historyczny moment dla nauki i technologii. Naukowcy z LLNL nazwali go “strzałem stulecia” i "jednym z najbardziej imponujących osiągnięć naukowych XXI wieku". Zapłon termojądrowy był bowiem celem wielu pokoleń badaczy i inżynierów, którzy pracowali nad nim od lat 50. ubiegłego wieku. Był też przedmiotem wielu kontrowersji i krytyki, ponieważ pochłaniał miliardy dolarów z budżetu rządowego, a nie przynosił oczekiwanych rezultatów.

Wygląda jednak na to, że drzwi do nowej ery energetyki, faktycznie powoli się uchylają. Naukowcy z LLNL powtórzyli swój sukces 30 lipca 2023 r. (oficjalna informacja pojawiła się dopiero teraz), uzyskując zapłon termojądrowy z jeszcze większym net energy gain. Tym razem energia wytworzona przez syntezę termojądrową wyniosła około 1,6 MJ, a energia lasera około 1,2 MJ. To oznacza, że reakcja termojądrowa była ponad 30 proc. bardziej efektywna energetycznie niż w poprzednim eksperymencie.

Co to oznacza dla przyszłości energetyki? Czy to oznacza, że wkrótce będziemy mogli korzystać z nieskończonego i czystego źródła energii? Niestety, nie tak szybko. Zapłon termojądrowy to dopiero pierwszy krok na drodze do uzyskania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Aby stworzyć praktyczny reaktor termojądrowy, który mógłby dostarczać energię na skalę przemysłową, trzeba jeszcze rozwiązać wiele problemów technicznych i ekonomicznych.

Po pierwsze, trzeba znaleźć sposób na utrzymanie reakcji termojądrowej przez dłuższy czas i na większą skalę. Dotychczasowe eksperymenty trwały zaledwie kilka sekund i dotyczyły mikroskopijnej ilości paliwa. Aby uzyskać użyteczną ilość energii, trzeba by powtarzać takie eksperymenty kilka razy na sekundę lub stworzyć ciągłą reakcję termojądrową w zamkniętym pojemniku.

Po drugie, trzeba znaleźć sposób na odzyskanie energii z reakcji termojądrowej i przekształcenie jej w elektryczność. Dotychczasowa energia wytworzona przez reakcję termojądrową była w postaci promieniowania rentgenowskiego i neutronów. Aby ją wykorzystać, trzeba by stworzyć specjalne materiały i urządzenia, które byłyby odporne na wysokie temperatury i promieniowanie.

Po trzecie, trzeba znaleźć sposób na obniżenie kosztów budowy i utrzymania reaktora termojądrowego. Dotychczasowa technologia lasera jest bardzo droga i skomplikowana. Każdy eksperyment wymaga ogromnej ilości energii elektrycznej i precyzyjnego ustawienia wiązek światła. Ponadto trzeba produkować paliwo termojądrowe z deuteru i trytu.

Zatem zapłon termojądrowy to dopiero początek długiej drogi do kontrolowanej syntezy termojądrowa. Nie wiadomo, ile czasu zajmie jej pokonanie i czy w ogóle się uda. Niektórzy eksperci są sceptyczni co do możliwości praktycznego wykorzystania energii termojądrowej w najbliższej przyszłości. Optymiści twierdzą, że zapłon termojądrowy to przełom, który otwiera nowe horyzonty dla badań i rozwoju energii termojądrowej. Wskazują, że technologia lasera jest ciągle udoskonalana i może być zastąpiona przez inną, bardziej efektywną i ekonomiczną metodę zapłonu termojądrowego.

Ponadto optymiści podkreślają, że paliwo termojądrowe jest bardzo obfite i łatwo dostępne. Deuter można pozyskiwać z wody morskiej, a tryt z litu, który jest powszechnym pierwiastkiem występującym w skorupie ziemskiej. W przeciwieństwie do paliw kopalnych, które są ograniczone i drogie, paliwo termojądrowe jest niemal niewyczerpalne i tanie. Jeden litr wody morskiej zawiera wystarczającą ilość deuteru, aby wyprodukować energię równą spaleniu 300 litrów benzyny.

Zatem energia termojądrowa ma potencjał, aby stać się źródłem energii przyszłości. Może zapewnić ludzkości nieograniczoną, bezpieczną i czystą energię, która pozwoli rozwiązać problemy związane z globalnym ociepleniem, zanieczyszczeniem środowiska i ubóstwem energetycznym. Może też umożliwić eksplorację kosmosu i kolonizację innych planet. Jednak aby to się stało, trzeba jeszcze pokonać wiele przeszkód technicznych i ekonomicznych, które dzielą nas od praktycznego wykorzystania energii termojądrowej.