Fuzja jądrowa: czy już blisko?

Synteza wielkich nadziei

Większość cząsteczek światła zwanych fotonami ma do wykonania dość trywialne zadania – na przykład oświetlić paprotkę, wzbudzić ten czy tamten atom. Są jednak fotony, jak te z eksperymentalnego reaktora National Ignition Facility (NIF) w Kalifornii, którym wyznaczono cele niezwyczajne. Zainicjują one procesy porównywalne tylko do zachodzących podczas Wielkiego Wybuchu, do gwałtownych zjawisk rozgrywających się we wnętrzach gwiazd czy jądrach planet.

Te cząsteczki zostaną powołane do życia we wnętrzu lasera zwanego Głównym Oscylatorem. Pobiegną do wzmacniaczy, w których ich energia wzrośnie biliard (milion miliardów) razy. Strumień światła zostanie też rozszczepiony na 192 wiązki, które – przekierowywane złożonym systemem zwierciadeł i soczewek – wpadną do wnętrza dziesięciometrowej, zbudowanej z metalu i betonu, sfery, przywodzącej na myśl pamiętną Gwiazdę Śmierci z „Gwiezdnych wojen”. Tam uderzą w dwumilimetrowej średnicy kapsułkę zamkniętą we wnętrzu cylinderka ze złota o rozmiarach gumki na końcu ołówka.

W sumie fotony pokonają półtora kilometra największej skonstruowanej kiedykolwiek instalacji optycznej, wypełniającej dziesięciopiętrowy budynek o powierzchni kilku boisk piłkarskich, największy w kompleksie Lawrence Livermore National Laboratory, gdzie znajduje się NIF. Ta szalona podróż potrwa jednak zaledwie 20 miliardowych części sekundy. Gdy dobiegnie końca, w tej krótkiej chwili, gdy energia światła laserowego stanie się porównywalna ze zużyciem energii elektrycznej w całej Europie czy USA, fala uderzeniowa wygeneruje we wnętrzu kuleczki warunki ekstremalne: ciśnienie 100 mld razy wyższe niż atmosferyczne i temperaturę 100 mln st. C, przewyższającą ciepłotę wnętrza Słońca. Wówczas to umieszczone w kuleczce atomy paliwa – deuteru i trytu (izotopy wodoru) – pokonają siły wzajemnego odpychania i wejdą w gwałtowną (acz krótkotrwałą, bo paliwa jest niewiele) reakcję syntezy. Połączą się ze sobą, tworząc jądro helu i wydzielając ogromną ilość energii. Jeśli wszelkie warunki określone przez ludzi, którzy to wszystko wymyślili, zostaną spełnione, i jeśli ci fizycy nie popełnili żadnego błędu w rachunkach, to 60 km na południowy wschód od San Francisco na ułamek sekundy zabłyśnie miniaturowa wprawdzie, ale najprawdziwsza gwiazda. A konkretnie – dojdzie do pierwszej, inicjowanej laserowo, kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej.

8 października 2010 r. przeprowadzono w Livermore pierwszą generalną próbę przed zapłonem. Osiągnięto moc bliską krytycznej. Podobno jeszcze w tym roku można się spodziewać pełnej realizacji opisanego scenariusza. Czyli jest świetnie. Albo niekoniecznie.

Emanacje entuzjazmu

Osiągający energię 1,8 MJ (megadżuli) laser z NIF to kolejny z wielkich projektów zakładających, że skoncentrowane wiązki światła mogą doprowadzić do zapłonu termojądrowego. Próby praktyczne wszystkich poprzednich dramatycznie rozminęły się z przewidywaniami teoretycznymi. Minęły się także z terminami, budżetami i normami ocen, przyjmowanymi powszechnie w projektach naukowych. Koszty instalacji z Livermore, szacowane na 200 mln dol., poszybowały do ponad 4 mld. Całość miała działać już 7 lat temu. Ale Amerykanie nie są wyjątkiem. Pod Bordeaux powstaje właśnie konstrukcja francuska, zwana Laser Mégajoule. Poza tym, że jest zbliżona pod względem technicznym i podobnie jak NIF spóźniona, wiadomo o niej bardzo niewiele. Krytycy – a jest ich wielu – twierdzą, że oba projekty są kolejnymi, skazanymi na niepowodzenie, emanacjami entuzjazmu wobec kontrolowanej syntezy termojądrowej, która ma swoje źródło w pierwszych sukcesach fizyki jądrowej połowy wieku ubiegłego.

Na pomysł, by do rozpoczęcia reakcji termojądrowej używać laserów, wpadli niemal równolegle wybitny radziecki fizyk jądrowy Andriej Sacharow oraz równie utalentowany Edward Teller, z pochodzenia Węgier, z wyboru Amerykanin. Odbyło się to niejako przy okazji badań nad bombą termojądrową, ponieważ zasada inicjowania reakcji jest, wbrew pozorom, jednakowa, z tym że w bombie paliwo podlegające syntezie sprężane jest przez efekty reakcji rozszczepienia jądrowego. Wtedy jednak, a było to tuż po II wojnie światowej, fizycy mieli co najmniej jeden zasadniczy problem, a był nim brak odpowiednio silnego źródła światła, czyli na przykład lasera. Kiedy jednak na przełomie lat 50. i 60. ten został wynaleziony, szybko zaczęto projektować pierwsze układy do badania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Robili to także Europejczycy, ale z największym zapałem – potęgowanym przez antykomunistyczną paranoję Tellera i skupionego wokół niego środowiska fizyków – Amerykanie.

Fuzja w pułapce

Wydawało się, że laserowe reaktory termojądrowe zaczną wkrótce wytwarzać niemal bezpłatną energię. Deuter można tanio pozyskiwać z wody morskiej. Z trytem wprawdzie jest nieco gorzej, ale ten rodzaj wodoru można produkować stosunkowo niedrogo (w teorii) w klasycznych reaktorach jądrowych lub przy okazji reakcji termojądrowej. Energia syntezy miała zbawić świat, dostarczać niemal bezpłatny prąd elektryczny, kształtować krajobraz, a przy okazji pogrążyć Rosjan. Jednocześnie badano możliwość inicjowania i podtrzymywania fuzji w pułapkach magnetycznych, czyli tokamakach i stellaratorach. Dziś służą temu rozbudowane, międzynarodowe projekty, takie jak ITER, JET czy Wendelstein 7-X (POLITYKA 51/08). Amerykanom najbardziej obiecująca wydała się metoda laserowa.

Kiedy technologia laserów okrzepła, między innymi w Livermore zaczęły powstawać realne konstrukcje. Kongres łożył na budowę przyszłych reaktorów termojądrowych szczodrze, zwłaszcza po wojnie Jom Kippur z 1973 r., której efektem było zmniejszenie wydobycia ropy naftowej, wprowadzone przez OPEC.

Tak narodził się Janus. Dwie wiązki tego powstałego w 1974 r. układu uderzały w kapsułkę z deuterem i trytem. Już wtedy, mimo iż Janus miał moc miliony razy niższą niż NIF, ujawniły się zasadnicze wyzwania związane z manipulacją wiązkami laserów o dużej mocy: elementy optyczne rozgrzewały się nierównomiernie, pękały, nieraz eksplodowały, obracając aparaturę w pył. Dwa lata później powstał więc Argus, ulepszona wersja Janusa. Potem kolejna konstrukcja – Shiva, będąca niemal miniaturą dzisiejszego NIF, w której kapsułka atakowana była przez 20 wiązek laserowych (im więcej wiązek, tym równomierniej i skuteczniej kompresowane paliwo, które pod presją przejawia tendencje ucieczkowe, jak ściskana w dłoni galareta).

Wszystkie urządzenia z Livermore wykroczyły poza swe kosztorysy i dowiodły, że w swoich przewidywaniach inżynierowie i fizycy mogą się mylić nawet 10 tys. razy. Tyle razy bowiem mniejsza była rzeczywista moc 20-ramiennego Shivy od planowanej. Ale obmyślano już kolejną, doskonalszą maszynę o nazwie Nova. I wtedy zdarzyło się nieszczęście. Padł mur berliński, skończyła się zimna wojna, a wraz z nią imperatyw wyprzedzania kolegów zza oceanu bez baczenia na koszty i zdrowy rozsądek. Trzeba było szukać innego pretekstu do prowadzenia badań na dotychczasową skalę.

Głowica pracuje

W 1992 r. w życie weszło moratorium na zaprzestanie próbnych wybuchów jądrowych. Dla programu fuzji laserowej oznaczało to – paradoksalnie – dodatkowe zasilanie z budżetu państwa. Aż do tamtej pory stan techniczny

...

[pełna treść dostępna dla abonentów Polityki Cyfrowej]