Fuzja jądrowa. O bombie wodorowej i nie tylko

Przywołałem już kilkakrotnie temat fuzji jądrowej, ale jak dotąd nie było za bardzo okazji, by go zgłębić. Jednak skoro wiecie już, jak działa promieniotwórczość, jak jądra różnych atomów potrafią się rozpaść, i jak można wykorzystać to zjawisko do produkcji energii – czas, żebym wyjaśnił, jak jądra różnych pierwiastków mogą się połączyć!

Jak je połączyć?

Jak? No cóż, podstawowa odpowiedź brzmi – “niełatwo”. W przeciwieństwie do rozpadów, które zachodzą samorzutnie, do połączenia (czyli fuzji) dwóch jąder potrzeba sporej “zachęty” z zewnątrz¹Jeśli ktoś z Was spotkał się z pojęciem “zimnej fuzji” – spokojnie, wrócę do tego za chwilę. Dlaczego? A pamiętacie, dlaczego jądra z dużą liczbą protonów są niestabilne? Ponieważ naładowane dodatnio protony odpychają się. A co musimy zrobić, żeby doprowadzić do połączenia dwóch jąder atomowych? Sprawić, że się ze sobą zetkną. A przecież wszystkie jądra również są naładowane dodatnio…

Jak więc nakłonić te jądra do spotkania? Trzeba zastosować wysoką temperaturę oraz wysokie ciśnienie. Jak wysokie? Cóż, w naturze fuzja jest procesem, który zachodzi we wnętrzu gwiazd… Ale człowiek również dał radę przeprowadzić taki proces. Urządzenie, które go wykorzystuje, nazywa się bombą wodorową, zaś zapalnikiem inicjującym fuzję jest nic innego, jak zwykła bomba jądrowa.

Widzicie więc wyraźnie, że fuzja jądrowa jest źródłem olbrzymich ilości energii. Ale jak dokładniej działa? Czy da się ją ujarzmić i zastosować pokojowo? W odpowiedzi na pierwsze pytanie cofniemy się o sto lat, w okolice roku 1920. Jednym z problemów, które stały przed ówczesnymi naukowcami, było wyjaśnienie źródła energii emitowanej przez gwiazdy. Arthur Eddington²Jeśli ktoś z Was nie oglądał filmu Einstein i Eddington – gorąco polecam!, brytyjski astronom, jako pierwszy zaproponował, że źródłem tej energii może być łączenie się jąder wodoru, prowadzące do powstania jąder helu.

Ta hipoteza opierała się na dwóch niedawnych odkryciach. Co ciekawe, żadnym z nich nie było odkrycie, że Słońce składa się głównie z wodoru i helu. To miało miejsce dopiero kilka lat później. Pierwszym z nich była rzecz jasna teoria Einsteina, pokazująca, że – zgodnie z równaniem E=mc² – masa może zamieniać się w energię. Drugim – odkrycie Francisa Astona, który zmierzył dokładne masy wodoru i helu. Wykazał on, że masa jądra helu jest o 0.8% niższa, niż masa czterech jąder wodoru.

Jesteśmy dziećmi gwiazd

Mogłoby się wydawać, że 0.8% to tyle, co nic, ale pamiętajcie: mówimy tu o niemal całkowitej przemianie materii w energię. Dlaczego niemal? Ponieważ cztery jądra wodoru, czyli protony, w pierwszym etapie reakcji łączą się w dwa jądra deuteru – każde z nich składa się z protonu i neutronu. Przemianie protonów w neutrony towarzyszy emisja pozytonu i neutrina. Dopiero w kolejnych etapie jądra deuteru łączą się w jądra helu³Najpierw każde z nich dołącza jeszcze jeden proton i staje się jądrem helu-3; w kolejnym etapie dwa takie jądra łączą się, dając jedno jądro helu-4 i dwa wolne protony. To jest właśnie główny proces zachodzący w naszym Słońcu. A o jakiej skali tu mówimy? W każdej sekundzie Słońce traci milion ton – taka masa ulega przekształceniu w energię. Wyobraźcie sobie: co sześć sekund całkowicie znika i zostaje przekształcona w energię Piramida Cheopsa w Gizie.

Jak już mówiłem, ten proces dominuje w Słońcu i innych lekkich gwiazdach. Im gwiazda większa i gorętsza, tym cięższe pierwiastki są w niej syntezowane. O powstawaniu Wszechświata kiedyś porozmawiamy sobie szerze. Jednak już teraz warto wiedzieć, że niemal wszystkie cięższe pierwiastki powstały w sercu gwiazd. Tak, również te pierwiastki, z których składasz się Ty i ja. Węgiel, wodór i tlen również powstają w gwiazdach. Jak to mówił prof. Aleksander Wolszczan – jesteśmy dziećmi gwiazd. Dodam jeszcze, że najcięższe pierwiastki powstają w wyniku wybuchu supernowych, które jednoczenie rozsiewają produkty wcześniejszych syntez po Wszechświecie.

Różne rodzaje bomb

O jakiej więc temperaturze mówimy? Żeby rozpoczęła się reakcja fuzji jąder wodoru – potrzeba około 4 milionów kelwinów.  Im wyższa temperatura, tym cięższe jądra da się uzyskać, więc bardziej efektywnie zużywa się paliwo⁴Można by powiedzieć, że działa to na podobnej zasadzie, jak ekonomia – im więcej masz pieniędzy, tam łatwiej Ci zarobić kolejne pieniądze. Z kolei emisja energii jest jedynym, co powstrzymuje siły grawitacji przed zgnieceniem gwiazdy do dużo mniejszego rozmiaru. Z drugiej strony – grawitacja jest jedyną siłą, która powstrzymuje gwiazdę przed rozleceniem się na kawałki na skutek uwalnianej energii. I tym sposobem patrząc na nocne niebo mamy możliwość podziwiać tysiące stabilnych reaktorów termojądrowych.

A na Ziemi? Jeśli chodzi o niekontrolowaną reakcję fuzji – opanowaliśmy ja już dawno temu. Deuterek litu-6, podgrzany, skompresowany i bombardowany neutronami, przemieni się w hel, deuter i tryt. Te dwa ostatnie łączą się, dając hel, proton i dużo energii. Największa jak dotąd zdetonowana bomba – tzw Car Bomba – zdetonowana, a jakże, przez ZSRR, osiągnęła moc około 50 megaton. Dla porównania – bomba, która zrównała z ziemią Hiroshimę, miała moc rzędu 15 kiloton.

Problem w praktyce

No więc podobnie jak z reakcjami rozszczepienia jąder, najpierw nauczyliśmy się stosować fuzję do czynienia krzywdy bliźnim. A co z zastosowaniami pokojowymi? W przypadku reakcji rozszczepienia trzeba było na nie czekać około 10 lat. A w przypadku fuzji – odkąd interesuję się tym tematem, mówi się, że to perspektywa najbliższych dwudziestu lat. W czym problem? Dlaczego nie używamy fuzji jako źródła energii, choć jest tak wydajna?

Problemy są dwa: pierwszym jest inicjacja reakcji, drugim – jej kontrola. Choć właściwie powinienem dodać, że problemem jest osiągnięcie tych celów w sposób, który sprawi, że bilans energetyczny będzie dodatni. To jest klucz – chodzi o to, żeby uzyskać więcej energii, niż się włożyło. Choć przeprowadzono już wiele eksperymentów, nikomu jeszcze nie udało się takiego bilansu uzyskać. Jak dotąd najbliżej był europejski JET w Wielkiej Brytanii, który zużywał 24 MW energii cieplnej, aby wygenerować plazmę emitującą 16 MW ciepła.

Tymczasem budowany wciąż ITER ma pobić ten rekord. Plan przewiduje, że do ogrzewania wykorzystane zostanie 50 MW mocy. Natomiast plazma ma emitować 500 MW i być utrzymywana przez kilka do kilkunastu minut za jednym zamachem. Zwróćcie tylko uwagę na to, że piszę tu o mocy wykorzystanej do ogrzewania. Jeśli policzyć całą moc elektryczną potrzebną do zasilania układu, to będzie jej znacznie więcej. Choć więc bilans energetyczny będzie w okolicy zera, w tym układzie nie będzie się dało produkować prądu.

A jak ten układ ma w ogóle działać? Jego sercem będzie tokamak, czyli pusty w środku pierścień, otoczony magnesami, mającymi utrzymać plazmę w ryzach. Ich brak spowodowałby błyskawiczne rozszerzenie się plazmy, a co za tym idzie – jej ochłodzenie i zakończenie reakcji termojądrowej.

Gorąca plazma

Jak ją więc podgrzać? Zastosowane zostanie kilka metod. Najważniejszą z nich będzie przepuszczanie przez plazmę prądu. Wiecie już z artykułów o nadprzewodnikach, że prąd, płynąc przez cokolwiek o niezerowym oporze, generuje ciepło. Czasem tego ciepła potrafi być naprawdę dużo. Ale w tym wypadku – nie wystarczy. Oprócz prądu zastosowane zostanie podgrzewanie falami radiowymi, bądź mikrofalami. Wykorzysta się nawet taką egzotykę, jak bombardowanie strumieniem neutralnych cząstek, które przekażą plazmie swoją energię. Te wszystkie metody pozwolą na uzyskanie temperatury rzędu stu milionów kelwinów.

Dlaczego aż tak dużo, choć niedawno mówiłem o czterech milionach? No cóż, jakkolwiek byśmy się starali, ciśnienia takiego, jakie panuje we wnętrzu Słońca, w tokamaku nie osiągniemy. Próbowali tego, i owszem, Amerykanie. W National Ignition Facility starali się bardzo mocno ścisnąć wodór z deuterem przy pomocy potężnego lasera, aby w ten sposób doprowadzić do fuzji. Ale raz, że niewiele im z tego wyszło, a dwa, że działało to na bardzo małą skalę.

Choć ITER pierwszą reakcję fuzji deuteru i trytu ma przeprowadzić dopiero w 2035 roku, już teraz plany przewidują, że na bazie doświadczeń z nim powstanie prototyp reaktora energetycznego, DEMO. Ten z kolei miałby wykorzystywać 80 MW mocy grzewczej do produkcji plazmy emitującej 2000 MW ciepła i wyprodukować pierwszy prąd w 2048 roku. Pożyjemy, zobaczymy…

Zalety elektrowni fuzyjnych

Ale dlaczego tak właściwie zależy nam tak bardzo na elektrowniach fuzyjnych? Ponieważ, jeśli uda się je kiedyś wprowadzić do użytku, będą miały wiele zalet. Przede wszystkim, niemal nieskończone zasoby paliwa: deuteru, oraz litu, z którego można wyprodukować tryt, starczy nam na miliony lat, biorąc pod uwagę efektywność reakcji. Poza tym mówimy tu o zerowej emisji gazów cieplarnianych. Niemalże znika również problem odpadów radioaktywnych i, co za tym idzie, produkcji materiałów rozszczepialnych.

Dlaczego powiedziałem “niemalże”? Ponieważ produktem fuzji deuteru i trytu jest, poza helem, neutron. A jak być może pamiętacie z artykułu na temat radioaktywności, promieniowanie neutronowe może sprawić, że dotychczas stabilne jądra staną się promieniotwórcze⁵Na tej właśnie zasadzie ma przebiegać produkcja trytu z litu w samym reaktorze. Natomiast tak ilość, jak i aktywność odpadów promieniotwórczych wyprodukowanych przez tego typu elektrownie, będzie znikoma. Warto jednak wspomnieć o tym, że promieniowanie neutronowe z czasem będzie niszczyło sam reaktor. Na szczęście nawet w przypadku poważnej awarii będziemy bezpieczni – gdy zawiodą generatory pola magnetycznego, plazma błyskawicznie wystygnie i reakcja przestaje zachodzić. A ponieważ nie ma tu generowania radioizotopów, odpada problem chłodzenia przez długi czas po wyłączeniu reaktora.

Zimna fuzja?

I wreszcie temat, który już sygnalizowałem wcześniej: zimna fuzja. O co chodzi? Jest to postulowane zjawisko polegające na zachodzeniu fuzji jąder w temperaturze pokojowej. Oczywiście, gdyby było prawdziwe i gdyby dało się do niego doprowadzić na dużą skalę, byłby to przełom w energetyce. Czy to w ogóle realne? Na razie nie da się udzielić jednoznacznej odpowiedzi, ale dotychczas nie udało się potwierdzić, żeby taka reakcja zachodziła na większą skalę. Jedno co wiemy na pewno to to, że nie zachodzi ona w czasie elektrolizy ciężkiej wody, jak to triumfalnie ogłoszono pod koniec lat osiemdziesiątych.

Większość pozostałych doniesień raportujących zaobserwowanie zimnej fuzji również zostało zweryfikowanych negatywnie. Czasem składano je na karb błędów eksperymentalnych, czasem – prób oszustwa. W kilku bardzo specyficznych przypadkach udało się zaobserwować fuzję w temperaturze pokojowej na bardzo niewielką skalę. Była ona decydowanie niekompatybilna z komercyjną produkcją elektryczności.

Wygląda więc na to, że jeśli chodzi o rozwiązanie naszych problemów energetycznych, musimy poczekać, aż uda się nam opanować gorącą fuzję. Spokojnie, jeszcze tak ze dwadzieścia lat…

Źródła:

https://cen.acs.org/articles/94/i44/Cold-fusion-died-25-years.html

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2006-02/rpi-cf021306.php

https://www.scientificamerican.com/article/what-is-the-current-scien/

https://www.iter.org

https://generalfusion.com/what-are-the-benefits-of-fusion-energy/

https://courses.lumenlearning.com/earthscience/chapter/nuclear-fusion/

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!