Mianem fuzji jądrowej określa się zjawisko polegające na łączeniu się dwóch lżejszych jąder atomowych w jedno cięższe. Dzięki fuzji jądrowej (nazywanej także reakcją termojądrową) mogą powstawać także wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa. W teorii może to brzmieć prosto, ale opanowanie tego procesu wcale nie jest łatwe – naukowcy przewidują, że kiedy się to uda, ludzkość zyska źródło czystej i bezpiecznej energii. Komercjalizacja procesów fuzji jądrowej może całkowicie odmienić branżę energetyczną. Tyle, że wciąż jeszcze to się nikomu nie udało.
Fuzja jądrowa nie jest niczym nowym
Wielu osobom może się wydawać, że fuzja jądrowa to nowy pomysł, a tymczasem liczy on blisko 100 lat! Wszystko zaczęło się w latach 20. ubiegłego wieku, kiedy brytyjski astrofizyk Arthur Eddington zasugerował, że gwiazdy czerpią swoją energię z fuzji wodoru w hel. W 1926 r. opisał ją w książce “Internal Constitution of the Stars” i szybko stała się ona jednym z fundamentów nowoczesnej astrofizyki.
Czytaj też: Fuzja jądrowa. Kiedy nastąpi przełom?
Po zapoznaniu się z teorią Eddingtona, Robert d’Escourt Atkinson i Fritz Houtermans przedstawili swoje obliczenia szybkości fuzji jądrowej w gwiazdach. W 1934 r. Ernest Rutherford przeprowadził eksperyment, w którym pokazał fuzję deuteru z helem. Jego uczeń – Mark Oliphant – użył nowszego sprzętu i tym samym odkrył hel-3 oraz tryt, potwierdzając, że ciężkie jądra wodoru mogą ze sobą reagować. Była to pierwsza bezpośrednia demonstracja fuzji jądrowej w laboratorium.
Czyste, bezpieczne źródło energii
Fuzja jądrowa to proces, który zachodzi w gwiazdach, więc oczywiste jest, że do jego przeprowadzenia w warunkach laboratoryjnych konieczne są ekstremalne warunki temperatury i ciśnienia. Osiągnięcie ich to jedno, ale wytworzenie czegokolwiek w takim środowisku jest jeszcze trudniejsze. Obecnie wymagana energia wejściowa jest zbyt wysoka, aby produkować energię na skalę komercyjną. Obecne wysiłki w reaktorach eksperymentalnych na całym świecie mają to zmienić.
Czytaj też: Czy fuzja jądrowa nas ocali? Ciemna strona tokamaków
Reaktor termojądrowy to niskoemisyjne źródło energii. Nie przyczyni się do globalnego ocieplenia, ponieważ w wyniku fuzji jądrowej nie powstają żadne szkodliwe substancje, jak dwutlenek węgla czy metan. Jedynymi produktami ubocznymi procesu fuzji jądrowej są hel i neutrony – nie powstają żadne długotrwałe odpady radioaktywne wytwarzane przez konwencjonalne reaktory rozszczepieniowe.
Kluczem jest kontrola plazmy
Kontrola plazmy to klucz do opanowania procesu fuzji jądrowej. To dlatego, że wszystkie reakcje termojądrowe zachodzą w stanie materii zwanym plazmą, w którym jądra i elektrony atomów rozdzielają się. Kontrola plazmy w reaktorze w bardzo wysokich temperaturach jest kluczem do tego, by fuzja stała się globalnym źródłem energii – używa się do tego silnych magnesów. Tokamaki i stellaratory to dwa typy reaktorów fuzyjnych z komorą magnetyczną, które są obecnie rozwijane.
Czytaj też: Płonąca plazma w końcu utworzona. Wielki krok w stronę fuzji jądrowej
Cel dla naukowców jest stworzenie tzw. płonącej plazmy. Uczeni z National Ignition Facility (NIF) z Lawrence Livermore National Lab (LLNL) w Kalifornii osiągnęli ten stan na ułamek sekundy. To z kolei zbliża nas do kolejnego ważnego kroku w pracach nad fuzją jądrową, czyli zapłonu. W takich warunkach paliwo będzie zużywać się samo, wytwarzając więcej energii niż jest potrzebne do wywołania początkowej reakcji.
Fuzja jądrowa zmieni wszystko
Nie jest to stwierdzenia na wyrost. Osiągnięcie kontrolowanej fuzji jądrowej pozwoli na przełom w wielu dziedzinach nauki, m.in. wytwarzaniu nadprzewodników, laserów o dużej mocy, półprzewodnikowych źródeł światła czy superkomputerów. Dzięki okiełznaniu fuzji jądrowej, ostateczne tajemnice odsłoni przed nami Słońce, które jest gwiazdą dającą nam życie.
Czytaj też: Fuzja jądrowa pod kontrolą. Uzyskano rekordowo dużo energii
Trzeba też szczerze przyznać, że państwo, które jako pierwsze osiągnie przełom w komercjalizacji fuzji jądrowej, zyska ogromną przewagę nad innymi. Dlatego właśnie powstają międzynarodowe projekty badawcze (np. ITER), które wszelkie benefity w przedbiegach starają się zminimalizować. Wielu naukowców obawia się jednak, że przełom w badaniach nad fuzją jądrową może nastąpić w chińskich laboratoriach, a stamtąd o transfer wiedzy będzie bardzo ciężko.
JET i ITER
Największym tokamakiem na świecie jest Joint European Torus (JET), który znajduje się w Centrum Naukowym Culham w Oksfordzie. JET jest tokamakiem, czyli komorą w kształcie pączka (dokładnie torusa), w którym zamknięta jest plazma fuzyjna. Dzięki silnym polom magnetycznym tokamak “formuje” plazmę do kształtu, który pozwala jej osiągnąć temperaturę nawet 20 razy wyższą od temperatury Słońca. Choć wciąż nie jest to rozwiązanie komercyjne, jest to jedyny działający reaktor, który może wytwarzać energię z fuzji jądrowej.
Czytaj też: Kolejny krok w stronę fuzji jądrowej. Pierwsza część magnesu ITER gotowa
Następcą tokamaka JET będzie ITER, czyli Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy, zlokalizowany w Prowansji na południu Francji. To projekt Unii Europejskiej, realizowany we współpracy wszystkich 28 państw członkowskich, a także Chin, Indii, Japonii, Korei Południowej, Rosji i USA. Pierwsza plazma ma powstać w 2025 r. i jeśli wszystko się uda, ITER będzie największym działającym reaktorem termojądrowy na świecie, wytwarzającym ponad 500 MW.