Czym jest synteza termojądrowa i jak próbuje się ją urzeczywistnić?
Jeszcze obecnie podstawową metodą wytwarzania energii jest spalanie paliwa organicznego. W tym procesie chemicznym atom węgla łączy się z cząsteczką tlenu, w wyniku czego powstaje molekuła dwutlenku węgla, energia zaś wyzwala się w postaci ciepła, które ludzie wykorzystują już od wielu tysięcy lat.
Reakcje syntezy jądrowej są bardzo podobne do chemicznej reakcji spalania, z tym, że zamiast atomów łączą się jądra. Przypomnijmy w tym miejscu, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, a w zasadzie każdy pierwiastek chemiczny może mieć jądra z różną liczbą neutronów. Takie odmiany pierwiastków nazywają się izotopami.
Najprostszy pierwiastek chemiczny – wodór, posiada trzy izotopy. Jądrem zwykłego wodoru jest proton, jądro deuteru (D) składa się z protonu i neutronu, a jądro trytu (T) – z protonu i dwóch neutronów.
Synteza termojądrowa polega właśnie na połączeniu się obu izotopów wodoru – deuteru i trytu. Tworzy się z nich jądro helu oraz jeden neutron, które rozlatują się z miejsca reakcji z olbrzymimi prędkościami (np. prędkość neutronu wynosi ok. 50000 km/s). Dodajmy, że w wyniku połączenia się pojedynczych izotopów deuteru i trytu powstaje 4 miliony razy więcej energii, niż podczas utlenienia się (czyli spalenia) jednego atomu węgla!
Wiadomo, że aby mogła się rozpocząć chemiczna reakcja spalania, należy zmusić atomy, aby się ze sobą zderzyły, a w tym celu niezbędna jest wstępnie dodatkowa porcja energii w formie „podpałki". Zainicjowanie reakcji syntezy jądrowej również wymaga nagrzania mieszaniny deuteru i trytu. Stąd też reakcje syntezy jądrowej nazywane są termojądrowymi. Na przykład, aby „podpalić" najłatwiej „zapalającą się" mieszaninę deuteru i trytu temperatura „zapałki" powinna przekraczać 50 mln stopni. W bombie wodorowej jako zapalnik wykorzystuje się bombę atomową. Jaką „zapałkę" chcą uczeni zastosować, jak podgrzewać mieszaninę deuteru i trytu, aby uzyskać kontrolowaną syntezę termojądrową? Zdaniem wybitnego uczonego radzieckiego akademika Nikołaja Basowa najlepiej tę funkcję mogą spełniać lasery.
Nikołaj Basów jest tym właśnie uczonym, który za wynalezienie laserów otrzymał w 1964 roku Nagrodę Nobla. Obecnie kierowany przez niego Instytut Fizyki Akademii Nauk ZSRR jest wiodącą na świecie placówką w zakresie badań nad laserową syntezą termojądrową.
Będąc w lutym br. u profesora Basowa, w Moskwie, miałem okazję zapoznania się z pracą eksperymentalnych urządzeń noszących efektowne nazwy „Kalmar", „Delfin-1" i „Delfin-2", w których bada się reakcje syntezy jądrowej.
Oto schemat laserowej syntezy termojądrowej. Tarcza termojądrowa – czyli malutka szklana kula, wypełniona mieszaniną deuteru i trytu – napromieniowana jest ze wszystkich stron zogniskowanymi na niej wiązkami promieniowania laserowego. Wskutek potężnej energii promieniowania powłoka tarczy zaczyna parować. Parowanie to jest tak dalece intensywne, że siła odrzutu będzie mocno sprężać pozostałą część kulki w kierunku jej środka. Obliczenia wykazują, że gęstość materii może wówczas osiągnąć wartość tysięcy gramów na centymetr sześcienny! Temperatura w środku ściśniętej wiązkami laserowymi tarczy podniesie się do kilkuset milionów stopni, a wówczas rozpocznie się reakcja syntezy termojądrowej. Reakcja ta ustanie z chwilą, gdy dojdzie do mikro wybuchu, w rezultacie którego plazma rozpadnie się.
Zapytany o stan badań nad laserową syntezą termojądrową, profesor Basów uśmiecha się i mówi: – Do dnia dzisiejszego przeszliśmy już bardzo długą drogę w tym kierunku i nie napotkaliśmy na żadne przeciwwskazania. Więcej, cała wiedza, jaką zdobyliśmy daje nam przekonanie, praktycznie stuprocentowe, że w oparciu o metodę laserową można stworzyć bardzo dobry reaktor termojądrowy.
Jak będzie zbudowany przyszły reaktor termojądrowy?
Jeden z projektów przewiduje, że będzie on miał postać kulistej komory o średnicy około 10 m. Specjalne urządzenia rytmicznie podawać będą na sam środek komory kulki paliwa termojądrowego. Przez przezroczyste okna w ścianach komory kulki te będą napromieniowywane za pomocą laserów. Po każdym wybuchu termojądrowym, zanim nastąpi kolejna „salwa" laserowa, potężne pompy wytwarzać będą próżnię w komorze detonacyjnej. Aby uchronić ściany komory przed rozerwaniem przez neutrony i jądra helu, skonstruowano ją z porowatego materiału, którego powierzchnia przed wybuchem pokrywana jest warstwą płynnego litu (tzw. mokra ściana). Lit dobrze pochłania produkty syntezy i chroni ścianę komory przed ich zbyt intensywnym oddziaływaniem. Za pierwszą ścianą komory znajduje się druga, zaś przestrzeń między nimi też wypełnia płynny lit, pełniący rolę nośnika ciepła wykorzystywanego następnie do uzyskiwania pary i napędzania turbin elektrowni.
Trudno na razie jeszcze powiedzieć, kiedy powyższy projekt zostanie zrealizowany. Ale warto poznać opinię akademika Jewgienija Wielichowa, szefa programu termojądrowego ZSRR, który uważa: „Istnieją wszelkie podstawy do twierdzenia, że badania w dziedzinie kontrolowanej syntezy termojądrowej znajdują się obecnie na etapie szybkiego rozwoju. Z trzech parametrów koniecznych do przebiegu reakcji syntezy deuteru i trytu (temperatura, gęstość plazmy i czas jej utrzymania) każdy z nich z osobna lub w parze z jednym z dwóch pozostałych został osiągnięty. Obecne zadanie polega na otrzymaniu niezbędnych wartości wszystkich trzech parametrów w jednym eksperymencie. Sądząc po tempie, z jakim rozwijają się te badania, cel ten będzie prawdopodobnie osiągnięty w ciągu kilku najbliższych lat".
Warto podkreślić, że dzięki opanowaniu umiejętności sterowania syntezą termojądrową ludzkość nie tylko uzyska dostęp do niewyczerpalnego w perspektywie źródła energii. Otóż reaktor termojądrowy, w odróżnieniu od jądrowego, nie produkuje materiałów rozszczepialnych, które stanowią surowiec do budowy broni jądrowej i termojądrowej.
Waldemar Siwiński