Nieuchwytna fuzja termojądrowa. Czy odpalimy sobie nasze własne Słońce?
W kontekście umieścił to m.in. komentarz Tony’ego Roulstone z Uniwersytetu w Cambridge, w mediach. Jak wyjaśniał, choć generalnie jest to dobra wiadomość, wynik ten jest wciąż daleki od rzeczywistego zysku energetycznego wymaganego do produkcji energii elektrycznej. Dzieje się tak dlatego, że aby "włożyć" 2,05 megadżula do celu, lasery rozgrzewające plazmę musiały zużyć ogólnie kilkaset megadżuli. Więc nawet jeśli uzyskano w wyniku eksperymentu więcej - 3,15 MJ, to i tak jest to o wiele mniej niż cała energia, której potrzebowano do zasilania laserów.
Ma się rozumieć, uzyskany wynik przekracza wartość podaną w kryteriach ustalonych przez amerykańską Narodową Radę Badań Naukowych w 2007 roku. Jednak ilość energii termojądrowej uzyskanej z rekordowego zapłonu wynosi zaledwie ok. 1% tej, która jest potrzebna do zasilania 192-wiązkowego lasera NIF (1) w procesie zwanym fuzją bezwładnościową. Tak więc, choć osiągnięcie NIF jest znaczącym krokiem do przodu, fuzja inercyjna jest wciąż daleka od stania się realnym źródłem energii. Celem inżynieryjnym, jak określają to eksperci, jest odzyskanie uzyskanie zysku energetycznego w wysokości dwukrotności energii, która łącznie trafiła do laserów. Musi to być dwukrotność, ponieważ ciepło musi być stratnie zamienione na energię elektryczną.
Pomimo powtarzających się co pewien czas doniesień "rekordach" i "przełomach", wielu naukowców uważa, że do praktycznych elektrowni termojądrowych mamy wciąż wiele dekad. Jednak mimo to warto podejmować wysiłki, gdyż to ma to być całkowicie bezemisyjne źródło, nie wytwarzające odpadów radioaktywnych, a jego wydajność teoretycznie przekracza wielokrotnie wydajność reakcji rozszczepiania, która, jak wiadomo, wielokrotnie przekracza wydajność energetyki opartej na paliwach kopalnych.
Droga do "płonącej plazmy"
W świecie reaktorów termojądrowych dąży się na tym etapie do osiągnięcia jak najwyższego współczynnika Q, np. poprzedzający osiągnięcie LLNL rekord, ustanowiony w 2021 roku w Joint European Torus w Wielkiej Brytanii, wytworzył jedenaście megawatów mocy przy współczynniku Q wynoszącym 0,33.
Walka o podnoszenie Q, którego definicja i rozumienie były zresztą modyfikowane, trwa od lat. W październiku 2013 roku LLNL ogłosiło zysk 14 kJ, przy mocy laserów 1,8 MJ. Według poprzedniej definicji, współczynnik zysku energii Q równał się wtedy 0,0077. Jednak ponownie zdefiniowano Q, tym razem biorąc pod uwagę ilość energii dostarczonej do "najgorętszej części paliwa", co dało znacznie większą wartość Q. W sierpniu 2021 roku NIF ogłosiło, że kolejny eksperyment osiągnął wartość Q równą 0,7, wytwarzając 1,35 MJ energii z kapsuły paliwowej przez skupienie na niej 1,9 MJ energii laserów. Wynik był ośmiokrotnym wzrostem w stosunku do jakiejkolwiek wcześniejszej produkcji energii.
NIF wykorzystuje wielki laser umieszczony w obiekcie wielkości kilku boisk do piłki nożnej do wytworzenia 192 wiązek, które są skupiane na celu w krótkim, silnym impulsie w ciągu około 20 nanosekund. Celem jest uzyskanie jak największej ilości energii w kapsule docelowej, czyli małej kuli wypełnionej izotopami wodoru, deuterem i trytem, umieszczonej wewnątrz cylindra ze złota. Złoto wyparowuje, wytwarzając impuls promieniowania rentgenowskiego, który powoduje implozję kapsuły, koncentrując paliwo termojądrowe w mikroskopijnej kuli, wystarczająco gorącej i gęstej, by zapoczątkować reakcję syntezy jąder atomowych, wytwarzającą ogromne ilości energii w przeliczeniu na reakcję. Jeśli energia wyzwolona w wyniku fuzji jąder przekracza wartość energii dostarczonej, to mamy zysk energetyczny.
Początkowo w NIF uzyskiwano nie więcej niż jeden kilodżul (kJ) energii. W ciągu kilku lat, po wielu zabiegach i ulepszeniach konstrukcji kapsuły paliwowej, powiększono tę wartość stukrotnie. Na początku 2021 roku, łącząc różne ulepszenia, zespół NIF przeprowadził kilka strzałów przekraczających 100 kJ, w tym jeden o energii 170 kJ a potem w sierpniu - 1,35 MJ. Wyniki te sugerowały, że NIF jest na drodze do stworzenia "płonącej plazmy", w której reakcje termojądrowe same w sobie dostarczają ciepła do podtrzymania reakcji fuzji.
Ścisnąć, rozgrzać i przytrzymać
NIF jest pod wieloma względami wyjątkowe, ale oczywiście nie jest to jedynie miejsce, w którym walczy się przełomowy zapłon termojądrowy. Większość ośrodków badawczych, z kosztującym wiele miliardów euro budowanym obecnie w Cadarache we Francji obiektem ITER (2), stawia na znaną od dekad metodę zamknięcia plazmy w pułapce z pola magnetycznego. W ostatnich latach kilka eksperymentów dążących do zwiększenia wydajności fuzji jądrowej biło kolejne rekordy temperatury i czasu utrzymania plazmy na poziomie 100 milionów stopni Celsjusza lub wyższej.
Do wymienianych często w serwisach informacyjnych należą m.in. eksperyment EAST w Chinach, koreański KSTAR oraz brytyjska firma Tokamak Energy. Na początku 2022 roku chińskim naukowcom udało się utrzymać 17-minutową reakcję termojądrową, choć przy użyciu paliwa, które nie nadaje się do produkcji energii na dużą skalę. W tej serii najnowszy rekord pochodzi z września 2022 r., gdy koreański reaktor (3) osiągnął 100 milionów °C temperatury plazmy i utrzymał ją przez 30 sekund. Reakcja została zatrzymana po 30 sekundach tylko z powodu ograniczeń sprzętowych.
Uczeni już sto lat temu zaczęli rozumieć, w jaki sposób reakcje syntezy zasilają piec Słońca. W 1933 roku po raz pierwszy połączyli atomy w laboratorium, a w połowie XX wieku odkryli, w jaki sposób fuzja może zasilać broń termojądrową. Synteza jądrowa jest przeciwieństwem rozszczepienia, reakcji, która zasila reaktory jądrowe. To proces łączenia jąder atomów lżejszych pierwiastków w celu utworzenia innego, cięższego pierwiastka. Do połączenia takiego potrzeba dużo energii. Ale sam akt łączenia wyzwala energię znacznie większą niż ta, która została włożona. Wykorzystanie tej energii wyzwolonej w sposób kontrolowany, zamiast eksplozji jak w tzw. bombie wodorowej, ma być podstawą działania reaktora termojądrowego.
Temperatury wymagane do fuzji są na tyle wysokie, że materia przekształca się w stan zwany plazmą. Atomy w plazmie maja tyle energii, że jądro każdego z nich traci swoje elektrony. Ponieważ cząstki w plazmie są naładowane elektrycznie, można nimi manipulować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, czyli kontrolować reakcje syntezy. Przynajmniej tak jest w teorii. W praktyce okazało się to niezwykle trudne.
W Słońcu, ciśnienie grawitacyjne jest wystarczające, aby ścisnąć jądra i wymusić reakcję syntezy w tempie 620 milionów ton na sekundę, wytwarzając przy tym gigantyczne ilości ciepła. W ziemskich reaktorach fuzji jądrowej konieczne są inne środki, aby rozgrzać plazmę do temperatury 100 milionów stopni Celsjusza. Kontrola plazmy o tak niewiarygodnej temperaturze ma tu kluczowe znaczenie. Jeśli dotknie ona ścianek reaktora, gwałtownie się ochłodzi, tłumiąc zachodzące w niej reakcje syntezy termojądrowej i powodując uszkodzenia komory, co nie dziwi przy takiej temperaturze. Naukowcy eksperymentują od lat z różnymi kształtami pól magnetycznych, których zadaniem jest powstrzymanie plazmy. Różne kombinacje pól magnetycznych, prądów elektrycznych i laserów zamykają wodór w wysokotemperaturowej plazmie w urządzeniach o egzotycznych nazwach jak tokamaki, stellaratory czy reaktory z-pinch.
Większość ośrodków zajmujących się fuzją jądrową pracuje nad połączeniem dwu form (izotopów) wodoru - deuteru i trytu (paliwo D-T). Atom wodoru ma w swoim jądrze tylko jeden proton. W deuterze znajduje się również neutron, a w trycie dwa neutrony. Kiedy deuter i tryt łączą się, tworzą jądro helu i neutron, który odlatuje, napędzany dodatkową energią wyzwoloną w reakcji syntezy. Wydajność energetyczna tej reakcji jest dziesiątki milionów razy większa niż przy spalaniu cząsteczek w paliwach kopalnych. W większości reaktorów energię kinetyczną szybko poruszających się neutronów przechwytuje osłona ze stopionego metalu lub soli otaczająca komorę, nagrzewając się przy tym. Ciepło to może następnie nagrzać wodę, aby napędzić konwencjonalną turbinę parową.
Startupy termojądrowe
Wiodącym projektem w dążeniach do opanowania syntezy termojądrowej od dekad jest tokamak, który wykorzystuje silne pola magnetyczne do wywołania fuzji wewnątrz komory w kształcie torusa. Nazwa tokamak ukuta została przez radzieckich naukowców, którzy wymyślili tę konstrukcję w latach 50. XX wieku. Tokamakiem ma być także Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER), którego gotowość operacyjną zaplanowana jest dopiero na 2035 rok. To najbardziej znana i, można by rzec, oficjalna ścieżka ludzkości do kontrolowanej syntezy termojądrowej. Zanim jednak powstanie ITER może wydarzyć się sporo rzeczy. Rosnąca liczba startupów "fuzyjnych" twierdzi, że można cel osiągnąć szybciej i taniej. Eksperci zalecają jednak ostrożność, gdyż kontrolowana fuzja już wiele razy w historii miała być "tuż za rogiem" a w końcu prawdziwego przełomu wciąż się nie doczekaliśmy.
Przykładowym startupem pracującym nad fuzją w tokamaku jest Commonwealth Fusion Systems, spółka wydzielona z Massachusetts Institute of Technology. Jednak ma do starego konceptu świeże podejście. W 2021 r. zademonstrowała nowatorskie rozwiązanie elektromagnesów, w których zastosowano nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które umożliwiają uzyskanie bardzo silnych pól magnetycznych ściskających paliwo plazmowe. Firma buduje własny duży tokamak o nazwie Sparc (4). Ma zostać uruchomiony już w 2025 roku, przekroczyć próg zysku energetycznego, a potem osiągnąć wartości Q na poziomie 10. Po Sparc na początku kolejnej dekady ma powstać kolejny reaktor testowy o nazwie Arc, generujący 400 megawatów mocy do sieci energetycznej. Kolejna fazą mają być maszyny o jeszcze większej wydajności i mocy, praktyczna energetyka termojądrowa. Konstrukcje Commonwealth są znacznie mniejsze niż ITER, czyli w założeniu - tańsze.
Oprócz tokamaków w niektórych firmach i ośrodkach badawczych trwają prace nad innymi metodami. Warto zwrócić uwagę na prace nad "stellaratorami" firmy Type One Energy, które wyglądają jak "powyginane" torusy tokamaków (5). Ciekawą koncepcją jest też fuzja pociskowa firmy First Light Fusion oraz projekt znany pod hasłowa nazwą z-pinch.
Ta ostatnia techniką zajmuje się firma Zap Energy z Seattle. Wykorzystuje w swoich eksperymentach komorę termojądrową w kształcie rury o niewielkich jak na standardy badań nad syntezą rozmiarach. Oparta na znanym w fizyce zjawisku skurczu plazmy z-pinch technika, wykorzystuje impuls prądu elektrycznego, który tworzy plazmę ściska ją w wydłużonym kształcie rurowym. Plazma jest stabilna i wystarczająco gęsta, aby zainicjowana została reakcja syntezy, co zostało potwierdzone w marcu 2022 r. Nie są tu potrzebne silne magnesy. Najnowszy reaktor firmy Zap, Fuze-Q, ma osiągnąć próg Q równy 1 już w 2023 roku. Firma ma jednak realistyczne podejście a jej szef, Benj Conway, ostrzega, że "obszar fuzji to cmentarzysko przesadzonych obietnic".
Są firmy, które na warsztat biorą inny (poza kontrolą plazmy) poważny problem najpopularniejszych metod syntezy termojądrowej. Poza stosunkowo nietrudnymi do pozyskania wodorem i deuterem potrzeba też trytu, który jest wyjątkowo rzadki (uważa się, że na Ziemi istnieje tylko 20 kilogramów tego pierwiastka). Bada się więc techniki "hodowania" trytu w procesie fuzji, ale jest to prawdopodobnie dalekie od praktycznej realizacji. Inne rozwiązanie proponuje wspierana przez Google i Chevron firma TAE Technologies z siedzibą w Kalifornii, która opracowuje reaktory syntezy bez trytu, zastępując go borem w reaktorach wodorowo-borowych.
Po bor sięga też australijska firma HB11, która pracuje nad fuzją protonowo-borową wykorzystującą lasery o dużej mocy i pola magnetyczne. Wodorowo-borowa reakcja fuzji H-11B jest aneutroniczna, czyli nie wymaga działania neutronów, ani ich wytwarzania. Innymi słowy, nie jest radioaktywna. Nie wymaga też radioaktywnego paliwa i nie wytwarza odpadów radioaktywnych.
W odróżnieniu od większości innych metod generowania energii, nie są potrzebne wymienniki ciepła, ani też turbiny parowe, fuzja wodorowo-borowa uwalnia energię prawie bezpośrednio w postaci elektryczności. Nie potrzeba skomplikowanych konstrukcji reaktorów, takich jak tokamaki lub stellaratory. Produktem "odpadowym" jest nieszkodliwy hel. Zarówno produkty wejściowe, jak i wyjściowe są nietoksyczne. Zdaniem prof. Heinricha Hory, szefa projektu "reakcja 12 mg paliwa w postaci boru może wytworzyć ponad 1 GJ energii". Konstrukcja reaktora Hory to pusta metalowa kula, wyposażona w dwa lasery dużej mocy, w której będzie można umieścić niewielką pastylkę paliwową HB11. Jeden laser ma wytwarzać pole magnetyczne powstrzymujące plazmę, a drugi - wyzwalać "lawinową" reakcję łańcuchową syntezy. Moc dostępnych laserów od kilkunastu lat wzrasta wykładniczo, zatem perspektywa fuzji wodorowo-borowej staje się nieco realniejsza niż kiedyś, co nie znaczy, że reaktor tego typu powstanie w ciągu roku czy dwóch.
Fuzja jądrowa na mieszance wodorowo-borowej (PB) jest trudniejsza do osiągnięcia niż reakcje deuter-tryt (DT), bo wymaga wyższej temperatury. Firma Tri Alpha Energy, która również pracuje nad taką techniką spodziewa się, że temperatura plazmy w jej reaktorze osiągnie około trzy miliardy Kelvinów, czyli ponad dwieście razy więcej niż temperatura we wnętrzu Słońca. Firma Tri Alpha Energy wraz z Google do opracowania reaktora fuzji używa superkomputera mocy przetwarzania rzędu eksaflopsów i algorytmu Optometrist, służącego do obliczania metod stabilizacji plazmy.
Pomaga sztuczna inteligencja i krewetki
Jak do wielu innych dziedzin, także do badań nad syntezą termojądrową wkracza sztuczna inteligencja. Trwająca od pewnego czasu współpraca między DeepMind Google’a i l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) prowadzi do zaprzęgnięcia AI do pracy nad kontrolą plazmy. W Szwajcarskim Centrum Plazmy powstała koncepcja tokamaka "zmiennej konfiguracji", gdzie regulacja parametrów magnetycznych odbywa się w tempie tysięcy razy na sekundę. System uczenia maszynowego została wyszkolony najpierw do przewidywania, jaki wzór plazmy wytworzy dany zestaw ustawień, a następnie do identyfikacji ustawień, które wytworzą najbardziej pożądany wzór. Według artykułu z lutego 2022 r. w czasopiśmie "Nature", symulacje Fusion AI firmy DeepMind pozwalają na niespotykana dotychczas elastyczność modelowania.
Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, to nasze wynalazki. Okazuje się jednak, że ciekawe rozwiązania, które mogą pomóc w badaniach nad kontrolowana syntezą termojądrową oferuje także, w sposób, który może zaskakiwać, przyroda. Startup First Light Fusion znalazł naturalną inspirację w morskim stworzeniu nazywanym krewetką pistoletową. Zwierzęta te używają potężnej broni, rodzaju działa kawitacyjnego. Woda jest popychana jedna z kończyn tak mocno i szybko, że tworzy bańkę próżniową, do której następnie wdziera się woda i nagrzewa do niewiarygodnej temperatury.
First Light Fusion zaprojektowała reaktor oparty na technice stosowanej w naturze, który wykorzystuje hipersoniczne fale uderzeniowe do wytworzenia ogromnych temperatur i ciśnień potrzebnych do fuzji. Kulki paliwa wodorowe jest zrzucana do wnętrza reaktora. Gdy dociera do środka, urządzenie przypominające działo kolejowe wystrzeliwuje w nią maleńki pocisk poruszający się z prędkością ponad 23 tysięcy km/h. Kiedy pocisk ten uderza w kapsułkę paliwa, ściska ją z rozmiaru kilku milimetrów do zaledwie stu mikronów. Energia ta wystarcza podobno do zainicjowania syntezy w paliwie. First Light wykorzystuje ciekły lit do przechwytywania wyzwolonej w reakcjach energii cieplnej i przekształca ją w energię użytkową.
Ten reaktor ma tylko cztery proste części: działo, granulat paliwowy, komora reaktora i układ przechwytywania energii. Powstał już prototyp reaktora działającego w ten sposób i, według komunikatów firmy, osiągnięto w nim fuzję o wydajności zbliżonej do wiodących tokamaków. First Light Fusion zapowiadał, że do 2030 roku stworzy działający, praktyczny reaktor termojądrowy, który może wytworzyć 744 MW mocy. Co więcej, zdaniem firmy, będzie on kosztował mniej niż miliard dolarów, co byłoby o rząd wielkości taniej niż jakakolwiek inny projekt dążący do opanowania syntezy termojądrowej.
Gdyby się okazało, że pierwszą wydajną i ekonomicznie opłacalną energię z fuzji zawdzięczamy krewetkom, to warto rozważyć, czy nie powinniśmy w ramach wdzięczności i szacunku, przestać je konsumować. Wypadałoby zrobić dla nich przynajmniej tyle.
powstających wskutek działania strzałów hipersonicznych
inspirowanych bronią krewetki pistoletowej
Mirosław Usidus
