Fuzja termojądrowa (nazywana też syntezą termojądrową) to proces, w którym jądra lżejszych pierwiastków łączą się w jedno cięższe. Wydziela się przy tym olbrzymia ilość energii. Proces ten bezustannie zachodzi w gwiazdach. Gdybyśmy mogli opanować go na Ziemi, ludzkość zdobyłaby praktycznie niewyczerpane źródło energii.
Próby nad kontrolowaną fuzją trwają od ponad półwiecza. Trudno jednak do niej doprowadzić. Na drodze piętrzy się wiele przeszkód. Zasadniczą jest to, że jądra atomowe są naładowane dodatnio i silnie się odpychają. W gwiazdach ich zetknięcie ułatwiają wysoka temperatura i ciśnienie. Na Ziemi trudno takie warunki osiągnąć. Przede wszystkim rozgrzany do milionów stopni gaz (zwany plazmą) trzeba jakoś okiełznać. Tu ładunek elektryczny atomowych jąder akurat się przydaje. Dzięki temu można uwięzić atomy w magnetycznych pułapkach. Nie jest to jednak wcale proste.
Obwarzanki, poskręcane wstążki i turbulencje
Takie magnetyczne pułapki, gdzie plazma krąży w rurze o kształcie obwarzanka, nazywa się tokamakami. Koliste, otaczające obwarzanek tokamaka magnesy muszą być wewnątrz położone bliżej siebie niż na zewnątrz. To sprawia, że pole magnetyczne nie jest jednorodne. Plazma ma wtedy tendencje do ucieczki od środka ku zewnętrznym brzegom. Ciepło ucieka, a to niezmiernie utrudnia termojądrową reakcję.
Badacze z amerykańskiego Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) od lat współpracują z naukowcami pracującymi przy japońskim Large Helical Device (LHD). To reaktor termojądrowy, który nie ma kształtu prostego obwarzanka. Jego kształt przypomina obwarzanek z poskręcanej wstążki. To pozwala na bardziej równomierne rozłożenie magnesów i znacząco ułatwia utrzymanie plazmy w ryzach. Taką konstrukcję nazywa się stellaratorem. Działający w Niemczech stellarator Wendelsteinn 7 X osiągnął w 2021 roku rekordową temperaturę 30 milionów stopni.
Wciąż nie jest to rozwiązanie idealne. Choć zawirowań plazmy jest znacznie mniej, powstają nadal. Badacze właśnie znaleźli na to rozwiązanie. Wydaje się niezwykle proste!
Domieszka boru stabilizuje plazmę rozgrzaną do milionów stopni
Naukowcy od dawna podejrzewali, że dodanie boru do plazmy znacząco zmniejszy gwałtowne turbulencje. Amerykańsko-japońskie prace nad tym pomysłem rozpoczęto już w 2018 roku. Teoretycznie udowodniono tę koncepcję rok później. Jednak wykazanie jej słuszności w praktyce nie było prostym zadaniem.
Fizycy musieli wybrać odpowiednie proporcje boru i wodoru, przeprowadzić obliczenia, komputerowe symulacje, a w końcu testy. Teraz donoszą, że wypadły niezwykle pomyślnie. Wirów jest mniej, a tor plazmy bardziej przewidywalny. – To bardzo wyraźny efekt – mówi Federico Nespoli, główny autor pracy opublikowanej w „Nature Physics”, w której badacze donoszą o odkryciu.
Znacznie mniejsze turbulencje i stabilność plazmy oznaczają znacznie mniejsze straty energii. A ponieważ plazmę trzeba rozgrzać aż do dziesiątek milionów stopni, moc używaną przez tokamaki i stellaratory liczy się w megawatach, czyli milionach watów. Powstający na południu Francji reaktor ITER ma zużywać setki megawatów.
Fuzja termojądrowa: inne sposoby też wydają się obiecujące
Bor może pełnić nie tylko rolę domieszki, lecz także rolę paliwa termojądrowego. Zamiast zderzać ze sobą jądra wodoru, by uzyskać hel (i energię), można zderzać jądra wodoru z jądrami boru (by uzyskać trzy jądra helu i energię). W takim procesie nie powstają neutrony – cząstki, które przy innych rodzajach fuzji trzeba wychwycić. Jest to jednak pomysł na razie raczej teoretyczny.
Eksperymentalne reaktory w Niemczech i Chinach osiągały już odpowiednie warunki i fuzja termojądrowa wodoru w hel w nich zachodziła, choć tylko przez sekundy. Budowany od dekad na południu Francji ITER ma dowieść, że proces termojądrowej fuzji w ogóle da się utrzymać – a tocząca się reakcja dostarczać będzie więcej energii, niż włożono w podgrzanie plazmy.
Innym sposobem na fuzję termojądrową jest ściskanie i podgrzewanie za pomocą laserów malutkich, ważących zaledwie setki części grama, pojemników z izotopami wodoru. Największe laboratorium pracujące nad tego rodzaju fuzją to amerykańskie National Ignition Facility (NIF), część Lawrence Livermore National Laboratory. W 2021 roku fizycy z NIF ogłosili, że udało im się osiągnąć odpowiednią moc laserów i zainicjować fuzję. Nadal jednak nie wyprodukowano więcej energii, niż włożono w jej zapoczątkowanie.
Źródła: Princeton Plasma Physics Laboratory; Nature Physics.