Nauka

Synteza wielkich nadziei

Fuzja jądrowa: czy już blisko?

Czy wyczekiwane od lat  opanowanie fuzji jądrowej natąpi wkrótce i to właśnie tutaj, w National Ignition Facility? Czy wyczekiwane od lat opanowanie fuzji jądrowej natąpi wkrótce i to właśnie tutaj, w National Ignition Facility? National Ignition Facility and Photon Science
Być może jeszcze w tym roku na Ziemi rozjarzą się miniaturowe Słońca. To nie przepowiednia astrologa, ale czysta fizyka.
W takim cylindrze o rozmiarach gumki do ołówka być może juz niebawem rozpocznie się fuzja termojądrowa.National Ignition Facility and Photon Science W takim cylindrze o rozmiarach gumki do ołówka być może juz niebawem rozpocznie się fuzja termojądrowa.
Ernest Lawrence i Edward Teller. Lata 50. XX wieku. Współtwórcy idei laserowej syntezy termojądrowej.National Ignition Facility and Photon Science Ernest Lawrence i Edward Teller. Lata 50. XX wieku. Współtwórcy idei laserowej syntezy termojądrowej.

Artykuł w wersji audio

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 głowic jądrowych zalegających w arsenałach (dziś jest ich ponad 5 tys.) można było diagnozować, zbierając stosowne dane podczas testowych eksplozji podziemnych na pustyni w Newadzie. W warunkach narzuconych przez moratorium trzeba było poprzestać na symulacjach komputerowych. Problem jest jak najbardziej realny (i narastający), bo niektóre z głowic liczą sobie już po 40 lat i trudno orzec, co się dzieje w ich wnętrzu. Prawdopodobnie już w latach 60. powstał służący do analizy tych procesów supertajny (do dziś zresztą) program o nazwie LASNEX. Szkopuł tkwił w tym, że chcąc otrzymać sensowne wyniki, trzeba było go nakarmić danymi z realnego świata. Temu przede wszystkim ma służyć National Ignition Facility. Ma stanowić zasadniczy element programu Stockpile Stewardship and Management Program, wykorzystywanego do utrzymania arsenału jądrowego w stanie zdatnym do użycia i bezpiecznym dla ludzkości. Programu drogiego i kontrowersyjnego.

Budowie NIF towarzyszyła bowiem seria skandali menedżerskich, waśni między różnymi laboratoriami i kompromitujących wręcz wpadek technicznych. Przede wszystkim zaś nie było i nie ma jasności, w jaki sposób doświadczenia płynące z kontrolowanej reakcji termojądrowej mogą wzbogacić wiedzę o uranowych czy plutonowych głowicach nuklearnych, w których zachodzi reakcja zgoła odmienna – rozszczepienia. Równie dyskusyjny jest drugi zasadniczy punkt misji NIF, czyli demonstracja wykorzystania fuzji laserowej jako czystego źródła energii. Żeby bowiem z takiej reakcji pozyskać energię, należy pokonać bariery techniczne, których nawet jeszcze dobrze nie zdefiniowano. Droga do ziszczenia się wizji Tellera daleka.

Dla wielu fizyków wspomniane eksperymenty są klasycznym przykładem myślenia życzeniowego. Piętnują je za brak przejrzystości, charakterystycznej dla badań nad syntezą w pułapkach magnetycznych. Piętnują je także twórcy cywilnych międzynarodowych projektów związanych z laserową syntezą, takich jak HiPER (w których udział biorą również Polacy, m.in. z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy). Jednym z głównych realistycznych celów NIF wydaje się więc przeniesienie w przyszłość wiedzy na temat spowinowaconych z przemysłem zbrojeniowym technik nuklearnych, która w innym razie odeszłaby razem z pokoleniem naukowców, tworzących pół wieku temu.

Ale wróćmy jeszcze do fotonów wybiegających z Głównego Oscylatora NIF, czyli do prawdziwej nauki. Nawet jeśli większość z nich zostanie zmarnotrawiona w eksperymentach, które w mierzalny sposób nie poprawią stanu bezpieczeństwa arsenałów nuklearnych, fizycy zapewne sprytnie wykorzystają przyznany im niewielki pakiet impulsów gigantycznego lasera. Naukowcom cywilnym przysługuje po 200 z 700–1000 impulsów laserowych, planowanych rocznie w każdej z instalacji. Zweryfikują hipotezy i pogłębią wiedzę o ewolucji gwiazd takich jak Słońce i o supernowych, być może zdołają nawet zmierzyć lokalną krzywiznę czasoprzestrzeni, będącą efektem rzadko spotykanego w kosmosie zagęszczenia materii.

Czy inicjowana laserami synteza termojądrowa ma szanse stać się źródłem taniej energii w najbliższej przyszłości, pchnąć cywilizację potężny krok naprzód, powiedzmy, zanim młodzi dziś fizycy przejdą na emeryturę? Zważywszy na turbulentne pół wieku badań nad fuzją, to pomysł raczej niedorzeczny. Z jednym wszakże zastrzeżeniem: szerzej rozumiana historia nauki podpowiada, że termin „niedorzeczny” ma szalenie niepewną datę ważności.

Reklama

Czytaj także

Społeczeństwo

Ukraińska kelnerka o swojej pracy w polskich hotelach

Kobiety traktują nas jak powietrze, mężczyźni często proponują nam seks, a dzieci uważają za służące, którym nie należy się szacunek – opowiada Ukrainka, która od czterech lat pracuje na polskim wybrzeżu.

Katarzyna Zdanowicz
17.07.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną