Przełomowy eksperyment: Amerykanie ujarzmiają energię gwiazd W laserowej instalacji NIF w Kalifornii udało się osiągnąć kluczowy próg na drodze do opanowania syntezy jądrowej, która jest uznawana za "świętego Graala" energetyki światowej. Wodorowe paliwo po raz pierwszy oddaje więcej energii, niż pochłania.
Wyniki eksperymentu dzisiaj publikuje tygodnik "Nature". Na czym on polega?
We wnętrzu Słońca zachodzi ciąg reakcji syntezy jądrowej zwany cyklem wodorowym. Z jąder atomów wodoru powstają tam jądra helu i uwalniana jest energia, której zawdzięczamy życie. Od lat naukowcy marzą o tym, by powtórzyć te reakcje w sposób kontrolowany na Ziemi i dzięki nim produkować czystą energię (na razie potrafimy uwalniać ją wybuchowo - w postaci bomby wodorowej). Elektrownie oparte na syntezie jądrowej rozwiązałyby większość problemów, jakie dziś sprawia spalanie węgla, gazu i ropy. Na setki, może tysiące lat odsunęlibyśmy widmo kryzysu energetycznego i groźbę zużycia światowych zasobów paliw.
Musimy się tylko nauczyć w laboratorium rozpalać Słońce, a właściwie małe "słoneczka". Naukowcy z Narodowego Laboratorium Lawrence'a Livermore'a donoszą w "Nature", że po trzech latach niepowodzeń udało im się zbliżyć do tego celu za pomocą potężnej laserowej instalacji National Ignition Facility (NIF).
Moc nie z tej Ziemi
NIF robi wrażenie - mieści się w dziesięciopiętrowych halach rozłożonych na powierzchni trzech boisk piłkarskich. Składa się ze 192 laserów, których wiązki ultrafioletowego światła spotkają się w jednym punkcie, by tam zogniskować swą moc i wyzwolić reakcje syntezy jądrowej. To najpotężniejsza instalacja laserowa na Ziemi jej budowę zakończono w 2009 roku - jest w stanie na niewielki ułamek sekundy wyzwolić moc większą niż wszystkie elektrownie świata!
Laserowy "strzał" z ultrafioletu trafia w cel o rozmiarze centymetra. To metalowy walec (tzw. hohlraum), we wnętrzu którego znajduje się plastikowa pastylka, mniejsza niż ziarnko pieprzu, zawierająca 150 mikrogramów zamrożonego wodorowego paliwa (mieszanki izotopów wodoru - deuteru i trytu). Impuls lasera tak mocno podgrzewa ścianki hohlraum, że emitują one promienie X, które powodują stopienie i eksplozję plastikowej otoczki pastylki. Jej wnętrze - na zasadzie reakcji - ulega implozji, czyli ściśnięciu do gęstości sto razy większej niż ołowiu. Rozgrzewa się również do temperatury blisko 100 mln st. C.
W tych piekielnych warunkach jądra deuteru i trytu mogą przezwyciężyć wzajemne odpychanie (są naładowane dodatnio) i połączyć się w jądra helu. Wydziela się przy tym energia - cztery piąte tej energii unoszą neutrony, które są produktem ubocznym reakcji, reszta podgrzewa paliwo i ma służyć podtrzymaniu reakcji.
Laserowe światło musi zapoczątkować na tyle dużo reakcji, żeby dalej już się same wzbudzały nawzajem na zasadzie łańcuchowej, jak potrącające się kostki domina.
Cała sztuka polega na tym, żeby ostatecznie w wyniku syntezy atomowych jąder uzyskać więcej energii, niż zużywają lasery, które inicjują syntezę. Gdyby tak się stało, moglibyśmy odtrąbić zwycięstwo.
To byłby energetyczny "święty Graal", wymarzone źródło energii dla ludzkości, praktycznie niewyczerpalne. Deuteru nie brakuje w wodzie morskiej, a i tryt łatwo uzyskać, np. z litu, w który obfitują ziemskie minerały. Co więcej, końcowym produktem reakcji jest hel, który jest zupełnie nieszkodliwy w przeciwieństwie do radioaktywnych odpadów z elektrowni atomowych, gdzie rozszczepia się ciężkie jądra atomowe.
Co się udało osiągnąć w NIF?
Gdy NIF był budowany, zakładano, że w ciągu kilku lat uda się osiągnąć "zapłon", ale to okazało się nie takie proste. Dzisiejsze doniesienie z "Nature" daje nadzieję, że naukowcy w końcu weszli na dobrą drogę.
Fizycy piszą, że jesienią zeszłego roku 10-krotnie poprawili wydajność syntezy. Najważniejsze, że udało im się przekroczyć bardzo ważny i kluczowy próg - z jądrowych reakcji, które zaszły w wodorowej kapsułce, uzyskali więcej energii niż sama kapsułka pochłonęła w postaci promieni X. To naukowy przełom - komentuje szef NIF Ed Moses.
Co to oznacza? Widać już efekt łańcuchowych reakcji, które dają nadwyżkę energii. Trzeba go teraz tylko wzmocnić, bo całkowity bilans energii, niestety, wciąż nie jest dodatni. Jeśli się uwzględni całość energii użytej do rozpalenia wodoru, nadal jesteśmy nisko pod progiem.
Policzmy: impuls lasera, który oświetla i rozpala hohlraum, ma energię 1,8 mln dżuli (porównywalną z energią kinetyczną 2-tonowego SUV-a jadącego z prędkością 160 km/godz.), tymczasem z reakcji syntezy uzyskano ledwie 17 tys. dżuli (ekwiwalent energii piłki baseballowej lecącej z prędkością 80 km/godz.).
To znaczy, że na razie odzyskujemy ledwie 0,0094 włożonej energii. Można rzec, że jesteśmy tak daleko od ujarzmienia energii Słońca, jak 0,0094 odległe jest od 1.
Zbyt dużo energii lasera się rozprasza, za mały ułamek zostaje pochłonięty przez kapsułkę z paliwem i inicjuje reakcje. Energetyczny zysk trzeba poprawić ponad sto razy, by bilans wyszedł na plus.
Dopiero gdy to się uda, naukowcy będą mogli obwieścić, że ujarzmienie energii termojądrowej przechodzi z fazy eksperymentu fizycznego do inżynieryjnej realizacji.
Kalifornijski laser jest w stanie strzelać w deuterowo-trytowe pastylki raz na kilka godzin. Jeśli hipotetyczna siłownia termojądrowa miałaby osiągnąć moc współczesnej dużej elektrowni, takie spalanie musiałoby się odbywać wiele razy na sekundę. Energia byłaby produkowana w kolejnych cyklach "spalania" jak w silniku spalinowym.
Taką możliwość ma zademonstrować dopiero europejski projekt "Hiper", w który zaangażowane są: Wielka Brytania, Francja, Hiszpania, Włochy, Czechy i Grecja. Ale on jest wciąż na deskach projektantów, powstanie najwcześniej pod koniec przyszłej dekady.
Do niewyczerpalnego i zielonego źródła energii jest więc wciąż daleko.
http://wyborcza.pl/1,75476,15447395,Prz ... ergie.html
Zaloguj
FAQ
Szukaj
