"Darmowa" energia coraz bliżej. Przełom w fuzji jądrowej

Marzenie o energii termojądrowej stało się bliższe rzeczywistości. Naukowcy potwierdzili, że reakcja termojądrowa przeprowadzona w 2022 r. przez uczonych z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) osiągnęła historyczny kamień milowy, uwalniając więcej energii, niż w nią włożono. Kolejne próby osiągnęły jeszcze lepsze rezultaty. Eksperyment przeprowadzony 4 września 2023 r. wyprodukował aż 1,9 raza więcej energii, niż pochłonął. Seria artykułów opisujących eksperymenty daje nadzieję na to, że doczekamy się w końcu czystych źródeł energii fuzyjnej. 

Przełomowy wynik osiągnięto w laboratorium National Ignition Facility (NIF), które wykorzystuje szereg 192 laserów dużej mocy do wysadzania maleńkich granulek paliwa deuterowego i trytowego w procesie znanym jako inercyjna fuzja w zamknięciu. Powoduje to implozję paliwa, rozbijanie jego atomów i wytwarzanie wyższych temperatur i ciśnień niż te, które panują w jądrze Słońca. Następnie atomy łączą się ze sobą, uwalniając ogromne ilości energii.

Obiekt działa od 2011 roku i przez długi czas ilość energii wytwarzanej w wyniku tych reakcji była znacznie mniejsza niż ilość energii lasera wpompowanej do paliwa. Jednak 5 grudnia 2022 r. badacze z NIF ogłosili, że w końcu osiągnęli “próg rentowności", wytwarzając 1,5 razy więcej energii, niż było to wymagane do rozpoczęcia reakcji termojądrowej.

Nowy artykuł opublikowany wczoraj w Physical Review Letters potwierdza twierdzenia zespołu i szczegółowo opisuje złożoną inżynierię stojącą za sukcesem. Annie Kritcher, fizyk z LLNL, która kierowała projektowaniem eksperymentu, twierdzi, że stanowi on ważny kamień milowy w nauce o syntezie termojądrowej. "Pokazało, że nic zasadniczo nie ogranicza nas w wykorzystaniu syntezy termojądrowej w laboratorium" stwierdza badaczka. 

Dzisiejsze elektrownie jądrowe opierają się na reakcjach rozszczepienia, podczas których atomy są rozbijane w celu uwolnienia energii. Fuzja działa odwrotnie, ściskając mniejsze cząstki w większe atomy; ten sam proces zasila nasze słońce. Fuzja może wytworzyć więcej energii bez odpadów radioaktywnych powstających podczas rozszczepienia, jednak znalezienie sposobu na podstrzymanie i kontrolowanie tego procesu, nie mówiąc już o pozyskiwaniu z niego energii, od dziesięcioleci umykało naukowcom i inżynierom.

NIF nie zostało stworzone z myślą o produkcji energii. Laboratorium było jednym z kluczowych elementów amerykańskiego programu zbrojeń nuklearnych. Prowadzi m.in. eksperymenty polegające na  wystawianiu elektroniki i ładunków z bomb nuklearnych na bombardowanie neutronami, aby sprawdzić, czy będą działać w przypadku wojny nuklearnej. Wiele z prowadzonych w ośrodku badań jest tajnych, a jego istnienie zostało ujawnione dopiero w latach 90. 

Oznacza to, że technologia stosowana przez NIF różni się od tej, jaka stosowana jest w większosci projektów, których celem jest przede wszystkim wykorzystanie reakcji fuzji atomowej do produkowania energii. Do tego generowana w reakcji prowadzonej w NIF moc wyjściowa jest znacznie niższa od wymaganej w reaktorze komercyjnym - nawet w ostatnich eksperymentach udało się wytworzyć zaledwie tyle energii, ile potrzeba by do podgrzania wody w wannie. 

W przeciwieństwie do NIF, które opiera się na opisanym powyżej procesie “inercyjnej fuzji w zamknięciu", Planowane elektrownie będą prawdopodobnie wykorzystywać głównie tokamaki lub stellaratory, które to urządzenia zamykają gorącą plazmę w skomplikowanych polach magnetycznych w stabilnym stanie przez dłuższy czas, umożliwiając kontrolowane reakcje fuzji. Jest to metoda znana jako "magnetyczne uwięzienie plazmy".

Przełomem w tym zakresie ma stać się uruchomienie laboratorium ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor, czyli Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy) , czyli międzynarodowego projektu mającego na celu emonstrację technicznej i ekonomicznej wykonalności fuzji jądrowej jako źródła energii. Jest to obecnie największe i najbardziej zaawansowane przedsięwzięcie w dziedzinie fuzji jądrowej na świecie.

Projekt ITER zakłada budowę tokamaka, czyli urządzenia do magnetycznego uwięzienia plazmy, w którym reakcje fuzji będą inicjowane i utrzymywane w kontrolowany sposób. Tokamak ITER ma być największym tego typu urządzeniem na świecie, zaprojektowanym do produkcji około dziesięciokrotnie więcej energii, niż jest potrzebne do jego uruchomienia. Projekt jest realizowany przez konsorcjum międzynarodowe, w skład którego wchodzą Unia Europejska, Stany Zjednoczone, Rosja, Chiny, Indie, Japonia i Korea Południowa. 

Budowa ITER rozpoczęła się w 2007 roku w Cadarache w południowej Francji. Planowane uruchomienie reaktora ITER przesunęło się kilkukrotnie, a aktualne harmonogramy projektu przewidują rozpoczęcie pierwszych testów z użyciem plazmy na około 2025 rok. Pierwsze eksperymenty z fuzją, czyli te, w których dojdzie do faktycznych reakcji fuzji jądrowej z wykorzystaniem izotopów wodoru - deuteru i trytu - planowane są na rok 2035. 

Równolegle realizowane są jednak komercyjne przedsięwzięcia, mające doprowadzić do stworzenia fuzyjnej elektrowni zdecydowanie szybciej. Liderem tych prac jest Commonwealth Fusion Systems (CFS), firma założona w 2018 r. przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT). 

Ich podejście różni się od tradycyjnych, dużych projektów fuzyjnych, takich jak ITER, poprzez zastosowanie nowoczesnych materiałów superprzewodzących do tworzenia silniejszych i bardziej efektywnych magnesów. Te innowacje mają na celu zredukowanie rozmiarów i kosztów budowy reaktorów fuzyjnych.

Jednym z kluczowych projektów firmy jest SPARC, eksperymentalny reaktor fuzyjny, który ma na celu demonstrację produkcji netto energii z fuzji (czyli wytworzenie więcej energii, niż jest potrzebne do uruchomienia reakcji) w skali mniejszej i szybciej niż to planowane w projektach takich jak ITER. SPARC jest projektowany we współpracy z MIT Plasma Science and Fusion Center i ma stanowić krok milowy, potwierdzający możliwość praktycznego wykorzystania fuzji jako źródła energii.

CFS i jej projekt SPARC zdobyły znaczące wsparcie finansowe i zainteresowanie ze strony inwestorów z sektora prywatnego. Uruchomienie reaktora SPARC planowane było na połowę obecnej dekady. Firma wyraziła nadzieję, że budowa pierwszej komercyjnej elektrowni mogłaby rozpocząć się wkrótce później. Pierwsza elektrownia, znana jako ARC (Affordable, Robust, Compact - przystępna cenowo, niezawodna, kompaktowa), mogłaby zostać uruchomiona w latach 2030-ych, o ile projekt SPARC zakończy się sukcesem i zostaną spełnione wszystkie niezbędne warunki techniczne i regulacyjne.