Fuzja termojądrowa to proces, w którym dwa lżejsze jądra atomowe łączą się w jedno cięższe. Uwalniana przy tym energia jest znacznie większa niż w procesie odwrotnym, czyli rozpadu jąder, co dzieje się w reaktorach jądrowych. Teoretycznie, fuzja mogłaby stanowić dla nas niewyczerpane źródło energii na miliony lat. Jak w gwiazdach, jądra wodoru mogłyby łączyć się w atomy helu.

Niestety jądra atomowe nie lubią się łączyć - odpychają je od siebie siły elektrostatyczne. W gwiazdach do reakcji termojądrowej dochodzi dzięki bardzo wysokim ciśnieniu i temperaturze. I choć na Ziemi jest pod dostatkiem potencjalnego paliwa termojądrowego, czyli wodoru, to bardzo trudno stworzyć warunki niezbędne, by doszło do fuzji.

Fuzja jądrowa na Ziemi

Jednym ze sposobów jest uwięzienie gazu w polu magnetycznym i podgrzewanie go do temperatury milionów stopni za pomocą mikrofal. Jednak jest to metoda skomplikowana. Wymaga budowy wielkich i złożonych instalacji, wyposażonych w gigantyczne magnesy.

Eksperymentalne reaktory w Niemczech i Chinach osiągały już odpowiednie warunki i fuzja w nich zachodziła, choć tylko przez sekundy. Budowany na południu Francji ITER, do którego niedawno dotarły najpotężniejsze na świecie magnesy, ma dowieść, że proces termojądrowej fuzji w ogóle da się utrzymać – a tocząca się reakcja dostarczać będzie więcej energii, niż włożono w podgrzanie gazu.

10 biliardów watów mocy

Na osiągnięcie fuzji jest jednak drugi sposób. To ściskanie i podgrzewanie za pomocą laserów malutkich, ważących zaledwie setki części grama, pojemników z izotopami wodoru. Z początku to właśnie ta metoda wydawała się bardziej obiecująca. Z czasem okazało się, że jej wydajność jest znacznie niższa niż spodziewana. Największe laboratorium pracujące nad tego rodzaju fuzją powstało w amerykańskim National Ignition Facility (NIF), części Lawrence Livermore National Laboratory.

Przez dekady osiągnęło tylko część mocy laserów potrzebnej do rozpoczęcia fuzji - w 2015 roku była to jedna trzecia. Postęp jednak ma to do siebie, że często przyspiesza. Fizycy z NIL ogłosili właśnie, że udało im się osiągnąć odpowiednią moc laserów i zainicjować fuzję.

Lasery NIF, które są tak wielkie, że zajmują powierzchnię trzech boisk do amerykańskiego futbolu, skierowano na cel wielkości piłki do baseballa. W środku, w obszarze średnicy ludzkiego włosa, po raz pierwszy zaszła termojądrowa reakcja łańcuchowa. Dostarczyła 1,3 megadżuli (MJ) energii, czyli niewiele ponad jedną trzecią kilowatogodziny (0,361 kWh) –  choć wyprodukowała 10 biliardów watów mocy, trwała zaledwie 100 bilionowych części sekundy.

Co istotne, po raz pierwszy udało się tym sposobem zapoczątkować termojądrową reakcję łańcuchową (fizycy mówią o „zapłonie” termojądrowym), która dostarczyła znaczące ilości energii. Było jej pięć raz więcej niż w eksperymencie przeprowadzonym jeszcze wiosną tego roku.

Największe znaczenie ma jednak fakt, że ilość wyprodukowanej energii była niewiele niższa od tej, którą dostarczono za pomocą laserów. W praktycznym wykorzystaniu fuzji termojądrowej chodzi zaś właśnie o to, by zapoczątkować reakcję łańcuchową, która dostarczy więcej energii, niż włożono w podgrzanie gazu.

„To najważniejsze osiągnięcie od lat 70.”

– Ten wynik to historyczny postęp dla badań nad inercjalną fuzją termojądrową – mówi Kim Budil, szef Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii.

– Zespół NIF wykonał niezwykłą pracę. To najważniejsze osiągnięcie w dziedzinie inercyjnej fuzji termojądrowej od czasu jej powstania w 1972 roku – komentuje prof. Steven Rose, fizyk z Centre for Inertial Fusion Studies (CIFS) na Imperial College London, ośrodka, który ściśle współpracuje z NIF.

Jak jednak zastrzega Jeremy Chittenden, również z CIFS, przekucie tego osiągnięcia na źródło elektryczności nie uda się szybko. – Po drodze jest do pokonania wiele znaczących problemów technicznych – mówi.

Postęp w badaniach nad fuzją termojądrową był tak powolny, że stał się wśród fizyków przedmiotem żartów. Coraz więcej wskazuje jednak na to, że w końcu uda się zbudować „Słońce na Ziemi”, które dostarczać będzie czystą energię.

Źródła: Lawrence Livermore National Laboratory, Imperial College London