W dniu 29 września b.r. w LLNL w Kalifornii uzyskano bardzo ważny wynik eksperymentalny w badaniach kontrolowanej syntezy termojądrowej (fuzji) realizowanej za pomocą lasera wielkiej mocy i energii.
Widok laboratorium NIF w LLNL z lotu ptaka. LLNL Photo Gallery.
W eksperymentach realizowanych ostatnio w LLNL wykorzystany jest największy na świecie 192-wiązkowy laser NIF (National Ignition Facility) generujący impulsy o energii ~1.80 MJ i czasie trwania kilku nanosekund (moc impulsu wynosi do ~400 TW). Wiązki lasera NIF o długość fali 351 nm (nadfiolet) są symetrycznie wprowadzane przez otworki w ”denkach” złotej tarczy-cylinderka (zwanego hohlraum target) o wymiarach: długość ~10 mm średnica – 4-5 mm. Wiązki laserowe wchodzą do cylinderka pod różnymi kątami i oddziałują z jego wewnętrznymi ściankami generując intensywne miękkie promieniowanie rentgenowskie. W centrum cylindra znajduje się cienkościenna kulka o średnicy ~2 mm wykonana z plastiku, albo innych lekkich materiałów. Na wewnętrznej ściance kulki znajduje się warstwa zamrożonej mieszaniny cięższych izotopów wodoru - deuteru (D) i trytu (T). Intensywne promieniowanie rentgenowskie oddziałując z powierzchnią kulki-tarczy powoduje gwałtowną jonizację i odparowanie (ablację) warstwy powierzchniowej kulki skutkujące implozję warstwy wewnętrznej pokrytej „lodem” DT (efekt „rakietowy”). W wyniku kompresji i grzania plazma w centrum kulki DT osiąga setki g/cm3 a temperatura przekracza kilkadziesiąt milionów stopni Kelvina. W tych warunkach zachodzą reakcje syntezy (fuzji) jąder izotopów wodoru, głównie najbardziej prawdopodobna reakcja D+T z emisją wysokoenergetycznych cząstek alfa i neutronów.
Fragment lasera NIF. LLNL Photo Gallery.
Schemat oddziaływania wiązek lasera NIF z wewnętrznymi ściankami złotego cylinderka (hohlraum target) z kulką zawierającą paliwo DT. LLNL Photo Gallery.
Wnętrze komory eksperymentalnej przy laserze NIF z urządzeniem do ustawiania tarczy w ognisku wiązek laserowych. LLNL Photo Gallery.
W ostatnio wykonanym w LLNL eksperymencie uzyskano rekordową generację ~5x1015 neutronów o całkowitej energii ~14 kJ. Stwierdzono, że wydzielona energia termojądrowa była większa od energii pierwotnie dostarczonej przez promieniowanie rentgenowskie do paliwa DT. Bardzo ważnym rezultatem tego eksperymentu było potwierdzenie przewidywań modeli teoretycznych, co stanowiło problem we wcześniejszych badaniach na układzie NIF. Pokazany wynik ostatnich badań wykonanych w LLNL jest bardzo ważnym osiągnięciem na drodze do efektywnej produkcji energii w wyniku fuzji inicjowanej laserem. Następnym krokiem będzie zwiększenie wzmocnienia energetycznego w skomprymowanym, gorącym paliwie DT w wyniku przekazu do tego paliwa energii cząstek alfa produkowanych w reakcji syntezy D+T. Informacje o ostatnim eksperymencie wykonanym w LLNL można znaleźć na stronie internetowej: http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-24429621.
Opanowanie kontrolowanej syntezy termojądrowej (fuzji) dla przyszłej produkcji energii elektrycznej jest obecnie jednym z najważniejszych zadań światowej nauki i technologii. Realizacja tego zadania wiąże się z szybkim wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną i koniecznością radykalnego ograniczenia energetyki wykorzystującej paliwa kopalne. Stosowanie odnawialnych źródeł energii jest mało wydajne w skali globalnej i wiąże się z ingerencją w środowisko naturalne. Energetyka termojądrowa w przeciwieństwie do energetyki jądrowej nie łączy się z produkcją dużej ilości długożyciowych odpadów radioaktywnych i z możliwością katastrofalnego rozprzestrzenienia się materiałów radioaktywnych. Do wytwarzania energii w wyniku fuzji izotopów wodoru D i T wykorzystuje się deuter, który znajduje się w dużych ilościach w wodzie, i tryt produkowany w reakcji neutronów z łatwo dostępnym litem.
Reakcje fuzji w gorącej i bardzo gęstej, krótkożyciowej plazmie wytwarzanej laserem, jak to ma miejsce w układzie NIF, zachodzi bez stosowania zewnętrznych układów do utrzymania plazmy. Reakcja ta zachodzi przy jedynie inercyjnym utrzymaniem paliwa DT. Metoda taka jest nazywana Inertial Confinement Fusion - ICF. Programy dotyczące opracowania fuzji ICF realizowane są także w Europie (projekt HiPER) i w Japonii (projekt FIREX). Inną metodą opanowania efektywnej produkcji energii fuzji, bardziej rozpowszechnioną niż ICF, jest zastosowanie pól magnetycznych w toroidalnych pułapkach typu tokamak albo stellarator służących do odpowiednio długiego utrzymania bardzo gorącej i rzadkiej plazmy. Czas utrzymania plazmy, jej temperatura i gęstość powinny umożliwić uzyskanie energii fuzji przewyższającej energię dostarczaną do tych układów przez zewnętrzne strumienie cząstek i mikrofal. Metoda ta nazywana jest Magnetic Confinement Fusion - MCF). W ramach międzynarodowego projektu ITER w południowej Francji jest obecnie budowany przez Unię Europejską, St. Zjed. Am. Pn., Japonię, Chiny, Republikę Korei, Kanadę i Indie wielki tokamak jako fuzyjny reaktor eksperymentalny.
Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy jest wiodącym w Polsce ośrodkiem naukowym realizującym prace dotyczące fuzji w ramach projektów europejskich zarówno w wersji ICF jak i MCF. Informację o badaniach realizowanych w IFPiLM można znaleźć na stronie www.ifpilm.pl.
