Jeden „kubeczek” izotopu wodoru niezbędnego do wywoływania tego zjawiska wystarczyłby, aby zabezpieczyć w energię jedno gospodarstwo domowe przez kilkaset lat. To porównanie, którego używa się obecnie dla zilustrowania możliwości fuzji termojądrowej. Choć brzmi naukowo, jest to to samo zjawisko, które sprawia, że gwiazdy, w tym Słońce, świecą i emitują energię na ogromną skalę. W przeciwieństwie do reakcji jądrowej, która dziś pozwala produkować prąd w elektrowniach jądrowych, tu nie chodzi o rozszczepienie, ale złączenie: fuzję jąder atomów izotopu wodoru. Wskutek tego zjawiska powstaje olbrzymia energia cieplna, którą w przyszłości można by wykorzystać z użyciem technologii znanych już z „klasycznych” elektrowni atomowych.
Laserem w kulkę wielkości pieprzu
Choć naukowcy na całym świecie badają możliwości kontrolowanej reakcji termojądrowej w warunkach laboratoryjnych na Ziemi, dotychczas nie udawało im się wygenerować tą metodą więcej energii, niż w nią włożyli. A włożyć trzeba było niemało, bo aby jądra izotopów wodoru zechciały się połączyć, potrzebna jest bardzo wysoka temperatura, 10-krotnie większa niż ta na Słońcu.
Poważny przełom nastąpił 6 grudnia w ośrodku badawczym National Ignition Facility (NIF) w Kalifornii. Używając 192 wiązek ogromnego lasera skierowanego na niewielką kulkę paliwa deuterowo-trytowego (izotopy wodoru) wielkości ziarenka pieprzu, udało się uzyskać tzw. zysk energetyczny („włożono” 2,05 MJ energii, uzyskano 3,15 MJ). Wcześniejsze próby wprawdzie wywoływały reakcję termojądrową, ale pochłaniała ona więcej energii, niż dawała. Obecny przełom był tak duży, że Departament Energii USA zwołał 13 grudnia specjalną konferencję prasową, aby o nim poinformować.
– To przełomowe osiągnięcie dla naukowców i pracowników NIF, którzy poświęcili swoją karierę na to, aby zapłon jądrowy stał się rzeczywistością. Ten kamień milowy niewątpliwie wywoła jeszcze więcej odkryć – powiedziała sekretarz energii USA Jennifer M. Granholm.
Święty Graal energetyki
Sukces ośrodka amerykańskiego wywołał naprawdę duże poruszenie w mediach i świecie naukowym. Uzyskanie na Ziemi energii za pomocą reakcji termojądrowej nazywane jest „świętym Graalem energetyki” i lekiem na wiele bolączek współczesności. Reakcja ta bowiem nie emituje żadnych szkodliwych substancji do środowiska, nie powiększa efektu cieplarnianego, nie pozostawia po sobie trujących czy promieniotwórczych odpadów, a paliwo do niej niezbędne, czyli izotopy wodoru, jest względnie łatwe do pozyskania. Deuter z wody morskiej, natomiast Tryt wtórnie wyprodukowany wewnątrz elektrowni. Gdyby zatem udało się opanować ten proces na tyle, by budować działające tak elektrownie, skończyłaby się era naszej zależności od kończących się zasobów węgla, ropy czy gazu i jednocześnie era potężnych zatruwaczy środowiska, jakimi są klasyczne elektrownie, nawet jądrowe.
– Przełom, jaki nastąpił, trudno porównywać do innych wcześniejszych przełomów rozwoju naszej cywilizacji, choć bez wątpienia jest to duże osiągnięcie – mówi fizyk, dr inż. Marcin Rosiński, kierownik Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy im. Sylwestra Kaliskiego w Warszawie. Jego zdaniem można by to porównać do sukcesów amerykańskich misji Apollo w latach 60. i 70. ubiegłego stulecia, których medialnym osiągnięciem było postawienie stopy ludzkiej na Księżycu, ale zasadniczym sukcesem – przyspieszenie rozwoju najróżniejszych technologii i wielu dziedzin nauki, dzięki którym człowiek mógł dosięgnąć Księżyca. – Obecny sukces ośrodka amerykańskiego w badaniach nad fuzją termojądrową z pewnością przełoży się na szybszy rozwój różnych dziedzin niezbędnych do produkcji energii tą metodą – mówi fizyk.
Dwie metody
A reakcje termojądrowe przeprowadzane na Ziemi w warunkach laboratoryjnych to procesy bardzo skomplikowane, na które składa się wiedza i doświadczenia kilku dziedzin nauki, nie tylko fizyki, chemii czy szeroko pojętej inżynierii. Obecnie wykonuje się je na dwa sposoby i w dwóch różnych rodzajach urządzeń: za pomocą ogrzewania izotopów wodoru przez potężny laser – jak w ośrodku w USA, o którym dziś głośno, oraz metodą tzw. pułapki magnetycznej, w której zamyka się i podgrzewa plazmę krążącą wewnątrz urządzenia. Obie metody rozwijane są we współpracy wielu różnych ośrodków i naukowców. Metoda pułapki magnetycznej połączyła we współpracy nawet kilkanaście różnych krajów, w tym Polskę, reprezentowaną przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy. Angażujemy się szczególnie w eksperymenty na istniejącym urządzeniu fuzyjnym JET typu tokamak (nazwa wymyślona przez rosyjskich naukowców, którzy opracowali prototyp jeszcze w latach 50. XX w.). Także w Europie działa od kilkunastu lat program badawczy ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), w ramach którego na południu Francji powstaje najnowocześniejsza wersja tokamaka. Będzie gotowy około 2026 roku i pomoże w praktyce przetestować możliwości budowy i funkcjonowania elektrowni termojądrowych.
Pieśń przyszłości
Jednak do nich droga ciągle pozostaje daleka. Na przeszkodzie stoją przede wszystkim koszty, bowiem wszystkie niezbędne do przeprowadzania reakcji termojądrowych urządzenia są obecnie niesłychanie drogie i skomplikowane. Tokamak programu badawczego ITER ma kosztować nawet 10 mld euro, co czyni z niego drugi najdroższy program badawczy na świecie (po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej). Amerykański ośrodek NIF, gdzie na początku grudnia przeprowadzono przełomowe reakcje termojądrowe, używa zmodernizowanego lasera wcześniej wykorzystywanego m.in. do symulacji mikroeksplozji jądrowych na potrzeby militarne, a najdroższe komponenty składające się na końcowe urządzenie pomagały budować współpracujące firmy prywatne, widzące w technologii potencjalną żyłę złota.
Widać zatem, że aby technologia fuzji jądrowej mogła się rozwijać i aby powstały oparte na niej elektrownie produkujące prąd do gospodarstw domowych, musi już teraz istnieć wola polityczna i nacisk społeczny. Tak wielkimi pieniędzmi dysponują przecież przede wszystkim państwa, mobilizowane przez media i opinię publiczną.
Kiedy zatem mogłaby powstać taka elektrownia? Dr inż. Marcin Rosiński nie jest w stanie podać choćby przybliżonej daty, choć po ostatnich sukcesach przeprowadzania fuzji w mediach zaroiło się od spekulacji, że być może wystarczyłaby jedna dekada. – To zbyt złożony proces na szacowanie jakiegokolwiek przedziału czasowego. Aby powstała taka elektrownia, musiałoby rozwinąć się wiele technologii, powstać bardzo drogie urządzenia. Naprawdę trudno przewidzieć, ile zajmie to lat. Pamiętajmy jednak, że w dziedzinie postępu naukowego rzeczywistość jest bardzo dynamiczna i wiele potrafi się zmienić w bardzo krótkim czasie. Przecież gdy ludzie wysyłali w kosmos pierwsze statki kosmiczne, sterowały nimi procesory porównywalne do tych, których dziś używamy w zwykłych zegarkach. Może się więc okazać, że to, co dziś wydaje się trudno dostępne i skomplikowane, w niedługim czasie stanie się rzeczywistością – mówi naukowiec.