5 grudnia 2022 r. w amerykańskim National Ignition Facility (NIF) w Livermore w Kalifornii przeprowadzono pierwszy eksperyment syntezy jądrowej, w wyniku którego uzyskano znaczne ilości energii.
Ponieważ nauka głównego nurtu i popularne media uznały to wydarzenie za znaczący krok naprzód w ujarzmianiu energii, należy zadać pytanie: czym jest synteza jądrowa i jak naukowcy dokonali takiego wyczynu?
Ten artykuł ma na celu udzielenie odpowiedzi na te dwa pytania, ponieważ dokładne zrozumienie kontekstu doprowadzi do lepszego zrozumienia tego, co przyniesie przyszłość.
Podstawy
Niemal wszystkie artykuły online przemilczają szczegóły syntezy jądrowej, upraszczając ją jako proces, który napędza gwiazdy, takie jak nasze Słońce, ale jest to w rzeczywistości bardzo złożony naturalny proces. Synteza jądrowa to połączenie działania wszystkich sił natury i praw rządzących naszym Wszechświatem.
Synteza jądrowa opiera się na fundamentalnych pojęciach Wszechświata: prawach termodynamiki, związku między masą a energią, słabych i silnych oddziaływaniach jądrowych oraz na sile elektromagnetycznej.
Poczynając od termodynamiki, dziedziny fizyki badającej przepływ energii, ma ona cztery główne zasady, które są nieodłącznymi właściwościami Wszechświata. Dla zrozumienia syntezy jądrowej najważniejsza jest zasada druga: energii nie można stworzyć ani zniszczyć. Druga zasada termodynamiki ma znaczenie dla wyjaśnienia związku między masą a energią, podkreślonego w słynnym równaniu Einsteina E=mc2.
Chociaż wielu słyszało o tym równaniu, niektórzy mogą nie znać jego prawdziwego znaczenia, które mówi, że istnieje związek między masą obiektu a całkowitą posiadaną przez niego energią. Chociaż Einstein wymyślił to równanie, aby wyjaśnić pewne pojęcia z teorii względności, istotne dla tej dyskusji jest to, że jeśli zachodzi reakcja między dwiema cząstkami elementarnymi i na końcu jest mniej masy niż na początku, oznacza to, że energia została uwolniona. Scenariusz, w którym układ zamknięty po prostu traci energię, jest niemożliwy zgodnie z drugą zasadą termodynamiki.
Aby uwzględnić różnicę potencjałów w masach zaangażowanych cząstek, w grę wchodzi tak zwana słaba siła jądrowa. Słabe oddziaływanie jądrowe jest odpowiedzialne za przemianę protonów w neutrony, aby umożliwić uzyskanie równowagi energii i stabilności cząstek.
Ostatnim składnikiem, o którym należy wspomnieć, jest siła elektromagnetyczna, która działa na każdy element we Wszechświecie, który ma dodatni lub ujemny ładunek elektryczny. Cząsteczki o tych samych ładunkach, takie jak dwa protony, będą się odpychać, podczas gdy ładunki przeciwne będą się przyciągać.
Jednak w wyższych temperaturach siła elektromagnetyczna nie ma już znaczącego wpływu. Zamiast tego przyciągająca silna siła jądrowa zastępuje ją jako czynnik dominujący, umożliwiając protonom łączenie się ze sobą, pozwalając w ten sposób na tworzenie się jąder z wielu protonów.
Mając na uwadze powyższe koncepcje, można teraz właściwie wyjaśnić syntezę jądrową.
Co to jest synteza jądrowa?
Aby doszło do syntezy jądrowej, potrzebne jest środowisko o wystarczająco wysokiej temperaturze, aby pokonać siłę elektromagnetyczną, by protony mogły się ze sobą związać. Wymaga to temperatur przekraczających sto milionów stopni Celsjusza [* ( patrz uwaga redaktora poniżej )]. Jeśli te warunki zostaną spełnione, dwa protony zderzą się, tworząc niestabilne jądro helu.
Schemat syntezy nuklearnej (Źródło: International Atomic Energy Agency (IAEA))
Aby stworzyć stabilną postać helu, słabe oddziaływanie jądrowe spontanicznie przekształca jeden z protonów w neutron, jednocześnie uwalniając dwie inne cząstki, pozytron i neutrino, wraz z pewną ilością energii. Rezultatem tego jest odmiana wodoru zwana deuterem, składająca się z jednego protonu i jednego neutronu. Atom ten następnie łączy się z innym protonem, tworząc formę helu zwaną helem-3, a także emitując wiązkę promieniowania gamma (fotony przenoszące energię elektromagnetyczną).
Hel-3 następnie łączy się z innym helem-3, tworząc stabilny atom helu – jak również dwa protony – a następnie cały cykl fuzji proton-proton powtarza się, pozostawiając stabilne atomy helu jako produkt uboczny.
Zysk energii
Teraz, gdy proces syntezy jądrowej został wyjaśniony, pytanie brzmi, w jaki sposób naukowcy z US National Ignition Facility osiągnęli znaczący zysk energii.
Kosztująca wiele miliardów dolarów instalacja National Ignition Facility użyła 192 laserów do wygenerowania nadmiaru energii z malutkiego ziarenka materiału (Źródło: Damien Jemison/LLNL/NNSA, via NPR)
Wykorzystali 192 lasery skoncentrowane w kulistym kształcie wokół złotego cylindra wielkości ziarnka grochu, aby dostarczyć 2,05 megadżuli energii (około 0,57 kWh) dwóm izotopom wodoru. Precyzyjne nacelowanie laserów pozwoliło na nagrzanie złotego cylindra do punktu, w którym osiągnięto warunki podobne do tych panujących we wnętrzu Słońca w cylindrze, umożliwiając syntezę atomów wodoru w hel.
Reakcja syntezy jądrowej, która zaszła w cylindrze, doprowadziła do uwolnienia 3,12 megadżuli energii (0,87 kWh): około 50% wzrostu w stosunku do energii włożonej do cylindra.
Chociaż eksperyment NIF dowiódł, że wydajna reakcja syntezy jądrowej jest możliwa, projekt daleki jest od opłacalnego komercyjnego reaktora termojądrowego.
Na przykład, w wielu popularnych artykułach nie wspomina się o tym, że do zasilenia laserów potrzebne były 322 megadżule (89,4 kWh), więc ogólnie process nadal był ujemny energetycznie.
Chociaż może być rozczarowujące, że wiadomości w rzeczywistości odzwierciedlają jedynie proste eksperymentalne potwierdzenie teoretycznego praktycznego zastosowania zjawisk obserwowanych w gwiazdach, odkrycie to legitymizuje trwające od dziesięcioleci poszukiwania przez naukowców możliwości skonstruowania reaktora termojądrowego. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że metoda zastosowana przez naukowców z NIF jest tylko jedną z kilku proponowanych metod uzyskiwania syntezy jądrowej, a wyniki prawdopodobnie wzbudzą zainteresowanie innymi metodami uzyskiwania syntezy jądrowej.
Ogólnie rzecz biorąc, naukowcom w końcu udało się wykorzystać dziesięciolecia fizyki teoretycznej, aby przewrócić pierwszą cegiełkę domina w długiej serii eksperymentów związanych z syntezą jądrową, niezbędnych do osiągnięcia komercyjnej syntezy jądrowej.
Chociaż osiągnięcie to może wydawać się małym przełomem, który — dla osoby z zewnątrz — nie przynosi żadnych praktycznych korzyści „zwykłemu człowiekowi”, ten mały krok, jak puknięcie pierwszej kostki w linii cegiełek domina, potencjalnie zapoczątkował reakcję łańcuchową, która doprowadzić może do efektywnej formy czystej energii.
[*] OD REDAKCJI: Technicznie rzecz biorąc, temperatura setek milionów stopni nie jest wymagana do zapoczątkowania syntezy. Na przykład, temperaturę wnętrza Słońca szacuje się na „zaledwie” 15 milionów stopni, ale Słońce — na szczęście — nie ma problemu z przeprowadzaniem syntezy jądrowej. Słońce i inne gwiazdy są w stanie poradzić sobie z tak znacznie niższą temperaturą z powodu ogromnego ciśnienia wewnątrz ich jąder spowodowanego przyciąganiem grawitacyjnym, które znacznie zbliża protony do siebie i ogólnie zwiększa prawdopodobieństwo syntezy jądrowej, a ponadto dostępnego jest mnóstwo materiału do syntezy. Na Ziemi nie możemy (jeszcze?) wytworzyć tak ogromnych ciśnień, a pracujemy z małymi próbkami, więc zamiast tego uciekamy się do zwiększania prędkości zderzających się cząstek (inaczej: ich temperatury) do warunków znacznie przekraczających te panujące na Słońcu tak, że mogą one przezwyciężyć odpychanie elektromagnetyczne i zbliżyć się do siebie na tyle, aby się połączyć. -- AJW
