Przełom w badaniach nad energią termojądrową. Po raz pierwszy w sposób kontrolowany udało się rozpalić małe Słońce, które po dostarczeniu 2,05 MJ (megadżula) energii oddało 3,15 MJ, czyli wypromieniowywało jej więcej niż otrzymywało. Jeśli ilość energii jest taka sama, zjawisko nosi nazwę breakeven (pol. wyjść na swoje), tutaj udało się wytworzyć 153,7 procent energii dostarczonej. Dla porównania: do niedawna rekordzistą był europejski JET, który produkował 16 MW z 24 MW mocy dostarczanej (66,7 procent), czyli nie doszedł do punktu breakeven.
Aktualizacja 2022/12/15, godz. 15.36: zaktualizowaliśmy ilość energii niezbędnej do uruchomienia laserów. Wydaje nam się, że słyszeliśmy „100 MJ”, jednak szanowane media informują o 322 MJ. Zmodyfikowaliśmy materiał.
Małe Słońce jako odpowiednik dużego Słońca
Energia termojądrowa jest czysta i wysoce obiecująca. Wyzwalana jest w trakcie fuzji termojądrowej, podczas której przy gigantycznym ciśnieniu i w gigantycznej temperaturze atomy wodoru (1 proton) lub jego izotopów (deuter: 1 proton + 1 neutron; tryt: 1 proton + 2 neutrony) łączą się w 1 atom helu (2 protony + 2 neutrony). Jądro atomu helu jest nieco lżejsze niż cztery atomy wodoru. Brakująca masa zamienia się w energię zgodnie z równaniem E=mc2.
Jako ludzkość potrafimy już przeprowadzać reakcje termojądrowe, nad którymi nie mamy kontroli. Pierwsza bomba wodorowa wybuchła 1 listopada 1952 roku, do jej zapłonu wykorzystano mniejsze ładunki atomowe. Jednym z jej głównych projektantów był Polak, Stanisław Ulam. Ale mimo tych kilkudziesięciu lat doświadczeń nadal mamy problem z zaprzęgnięciem reakcji termojądrowej do kontrolowanej produkcji energii.
Amerykański Departament Energii (DoE) i Administracja ds. Bezpieczeństwa Nuklearnego (NNSA) pochwaliły się właśnie, że 5 grudnia 2022 roku w Lawrence Livermore National Lab (LLNL) przeprowadzili kontrolowaną fuzję termojądrową, która wyemitowała więcej energii niż jej dostarczono, z 2,05 MJ/0,569 kWh udało się uzyskać 3,15 MJ/0,875 kWh. Przekroczono punkt breakeven (Q = 1). W sukcesie są jednak pewne haczyki: otóż 2,05 MJ energii dostarczonej przez 192 ultrafioletowe lasery podgrzewające gazy do osiągnięcia stanu plazmy wymagało w sumie 322 MJ/89,4 kWh 100 MJ/27,8 kWh energii na ich zasilenie i podtrzymanie, więc realna sprawność całego procesu to zaledwie 0,98 procenta.
Komora, w której doszło do uruchomienia i podtrzymania fuzji termojądrowej (c) LLNL, DoE, NNSA, źródło
Plazma nadal nie osiągnęła stanu, w którym produkowana przez nią energia wystarczyłaby do podtrzymania jej w stanie niezbędnym do kontynuowania reakcji ORAZ zasilania zewnętrznych urządzeń (Q istotnie większe niż 1). Nie wiadomo, kiedy uda się dojść do tego poziomu w warunkach kontrolowanych, może to zająć kolejne kilkadziesiąt lat. Ale gdy się uda, będziemy mieli nadmiar czystej energii, którą naładujemy każde baterie i zasilimy wszystko, co zechcemy, bez konieczności używania paliw kopalnych.
Gdy nam się uda, wrócimy do punktu wyjścia. Absolutnie całe życie istniejące na Ziemi opiera się na energii powstającej w procesie fuzji termojądrowej przebiegającej we wnętrzu naszego Słońca. Fuzja termojądrowa sprawiła też, że w ogóle powstaliśmy. Reakcje termojądrowe wytwarzają energię podczas łączenia się kolejnych pierwiastków aż do żelaza, wymagają jedynie coraz większych ciśnień i temperatur.
Od żelaza (Fe) zachodzi zmiana o 180 stopni, do podtrzymania reakcji termojądrowych konieczne jest dostarczanie energii, ponieważ energia procesu jest już niewystarczająca. Mimo tego we Wszechświecie są pierwiastki zarówno te na lewo od żelaza, jak też żelazo i dalsze. Sytuacja jest o tyle zabawna, że tuż za żelazowym szczytem (lub „wyspą”, jak się niekiedy mówi w literaturze), jest kobalt, nikiel i miedź, Co, Ni, Cu. Pierwiastki kluczowe do produkcji baterii i instalacji elektrycznych.
Nota od redakcji Elektrowozu: mamy wrażenie, że do kontrolowanej działającej fuzji jądrowej dojdzie mniej więcej wtedy, gdy w Polsce już prawie ruszy pierwszy reaktor atomowy 😉