Zimna fuzja – czyli porozmawiajmy o sci-fi

Skąd moje wątpliwości? Skoro zostałem poproszony o rozwinięcie myśli zawartej w cytowanym komentarzu, to skorzystam z możliwości publikacji na łamach naszego portalu − tu mam po prostu więcej znaków za darmo. Autor cytowanego komentarza omyłkowo nazwał trwające od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku badania nad fuzją jądrową badaniami nad “zimną fuzją”. Projekty takie jak np. ITER starają się opanować w warunkach ziemskich fuzję termojądrową. Jak do tej pory próby te spełzły na niczym i nie sądzę, aby udało się szybko osiągnąć jakiś znaczący przełom niezależnie od zainwestowanych środków, bo to po prostu karkołomne zadanie.

Fuzja termojądrowa to fuzja “gorąca” − bardzo gorąca, bo mowa o materii rozgrzanej do milionów kelwinów, którą trzeba kontrolować za pomocą np. pola magnetycznego. Tylko w takich warunkach jądra atomowe mogą się skleić, tworząc inne. Wiemy to z obserwacji − także naocznych. Słońce “świeci”, a energia do tego procesu musi skądś się brać. Jedynym źródłem jest sama materia, z której jest ono zbudowane. Wiemy również że proces ten jest inny niż proces spalania węgla. Z doświadczeń w warunkach ziemskich wiemy też, że gdy porównać masę np. dwóch protonów i dwóch neutronów z masą jądra 4He (składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów), to okaże się, że choć położyliśmy po obu stronach wagi takie same nukleony, to jądro helu jest lżejsze. Oznacza to, że łączenie lekkich jąder w cięższe powoduje, iż otrzymujemy energię, którą można wykorzystać.

Tylko jak przekonać jądra np. wodoru, aby zachciały połączyć się w jądro helu? Przenoszą ten sam ładunek elektryczny, czyli gdy zbliżać je do siebie, to będą się odpychać − co ustalił niejaki Coulomb, stawiając barierę związaną z oddziaływaniem elektrostatycznym. Pokonanie tej bariery jest możliwe, o czym świadczy istnienie np. tlenu, żelaza czy uranu. Jądra tych pierwiastków zawierają wiele protonów o dodatnim ładunku elektrycznym, które powinny się odpychać, a jednak istnieje tajemnicza siła, która je spaja. Jest silniejsza od elektromagnetyzmu, więc nazwano ją oddziaływaniem silnym. Jest ono krótkozasięgowe: obszar, na którym przeważa nad elektromagnetyzmem to dystans około 10-15 m (biliardowe części metra) i taki jest mniej więcej rozmiar protonu, będącego jądrem powszechnie występującego protu, tj. jednego z izotopów wodoru. Tego akurat mamy we Wszechświecie mnóstwo, więc opanowanie procesu, który pozwoliłby zamienić go w hel i uzyskać energię, to gra warta świeczki.

W gwiazdach, posiadających masy nieporównywalnie większe niż masa naszej planety, sprawiają to grawitacja i temperatura. Ogromna temperatura oznacza po prostu, że cząstki bardzo energicznie drgają, a to z kolei oznacza wysoką energię kinetyczną, zdolną do pokonania bariery związanej z ładunkiem elektrycznym i umożliwiającą zbliżenie się cząstek na tyle, by oddziaływanie silne mogło złączyć je w większe jądro. Jak wysoka temperatura pozwoli nam na fuzję? Około 15 milionów kelwinów. Dla porównania, mój termometr na zewnątrz pokazuje wartość 291,15 K. Wszystkie nasze dotychczasowe próby z fuzją polegały na rozgrzaniu materii w ten czy inny sposób i utrzymaniu jej razem na tyle długo, by proces ten mógł zajść tak, jak zachodzi w gwiazdach. I jak do tej pory jedyne sukcesy można porównać do rozpalenia zapałki przy pomocy lasera: da się, ale to niepraktyczne. Opanowanie fuzji na gorąco wymaga jeszcze wielu lat badań i rozwiązania wielu problemów związanych z radioaktywnymi odpadami czy promieniowaniem gamma, które powstają w takim procesie w obfitości.

A co z “zimną fuzją”? Tak nazywa się każdy proces, który mógłby doprowadzić do powstania nowego jądra atomowego z połączenia dwóch lżejszych w warunkach mniej ekstremalnych niż te panujące we wnętrzach gwiazd. Biorąc pod uwagę powszechność występowania paliwa, które można wykorzystać do fuzji jądrowej, to mielibyśmy spokój z energią właściwie do końca istnienia Układu Słonecznego! Jeśli do tego czasu nie wymyślimy czegoś innego, to i tak nie będzie to miało żadnego znaczenia dla naszego gatunku. Czy to jednak możliwe w jakikolwiek sposób? Czy bez olbrzymiej temperatury i grawitacji da się jakoś przekonać cząstki o tożsamym ładunku elektrycznym do zbliżenia się do siebie na tyle, by siły jądrowe mogły zadziałać?

Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory mają sposób! Oprócz projektu znanego jako National Ignition Facility, który bada fuzję na gorąco, bada się tam również zjawisko tzw. “eksplozji Coulombowskiej”. Jeśli zgromadzić jądra deuteru w jednym miejscu, a następnie je zjonizować, to zaczną się odpychać − tym silniej, z im większą liczbą sąsiadów muszą się odpychać. Daje to mnóstwo energii potencjalnej, którą można zamienić w kinetyczną. Proces ten polega na rozprężeniu deuteru w komorze próżniowej w niskiej temperaturze. Powstała mgła jest jonizowania impulsami lasera. Całkowita jonizacja atomów deuteru powoduje, że zaczynają się one odpychać tak silnie, iż mogą przekroczyć barierę elektrostatyczną. Przy czym ten proces, jak wykazały wielokrotnie powtarzane eksperymenty, jest możliwy wyłącznie w skali mikro. To nie jest droga do zbudowania reaktora, który umożliwi nam pozyskiwanie energii z procesu fuzji w sposób ciągły i użyteczny.

Czy więc istnieją jakieś sposoby, aby doprowadzić do fuzji w inny sposób, niż nadając cząstkom temperatury rzędu milionów kelwinów lub rozpędzając je w akceleratorach takich jak LHC? Skoro rozmawiamy o cząstkach posiadających ładunki elektryczne, to może wykorzystać jakoś silne pole magnetyczne, którym zepchniemy jądra deuteru na tyle blisko, aby zaszła fuzja? Tak, to możliwe, z tym że potrzebne by było pole o natężeniu ok. 1011 T, czyli mniej więcej takie, jakie panuje we wnętrzach gwiazd neutronowych − wystarczające do zabicia każdego żywego organizmu. Nie chcemy tego robić.

No, ale może da się jakoś inaczej? Przecież można rozpędzić jony w polu elektromagnetycznym i ostrzelać nimi inne, znajdujące się względem nich w spoczynku? Taką możliwość dają kryształy piroelektryczne, tj. takie, które wytwarzają pole elektryczne w wyniku podgrzewania. Taki eksperyment wykonano w 2005 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim, gdzie podgrzewano kryształ z jednej strony. Powodowało to powstanie pomiędzy jego końcami pola elektrycznego, które przyśpieszało jony natężeniem rzędu 25 GV/m! Zmierzona energia jonów dochodziła do 100 keV, co odpowiada temperaturze ok. 1 GK a więc znacznie przewyższającej potrzebną do zajścia fuzji. To faktycznie działa; problemem jest tylko, tak jak w poprzednim przypadku, skala: nie da się wykorzystać tego zjawiska do budowy reaktora, bo nie istnieją odpowiednio duże kryształy ani nie da się ich wytworzyć w żaden sposób. Zresztą nawet gdyby się dało, to w większej skali sama temperatura cząstek zniszczyłaby taki kryształ, a jednorazowa elektrownia nam do niczego niepotrzebna. W małej skali to świetne źródło neutronów i nic poza tym.

No to może jeszcze inaczej? Weźmy taką cząsteczkę wody: H2O czyli H+ i OH. Można rozbić ją na dwa jony − da się tak zrobić przy pomocy elektrolizy, podczas której przepływ prądu sprawi, że jony naładowane dodatnio będą zbierać się na katodzie, a ujemnie na anodzie. A jeśli zbierze się dostateczną ilość odpowiednich jonów? Tak właśnie pomyśleli panowie Pons i Fleischmann gdy w 1989 prowadzili elektrolizę ciężkiej wody − tj. wody zawierającej w cząsteczce jądra deuteru zamiast protu − przy użyciu porowatej katody wykonanej z palladu. Dodatkowe ciepło wytwarzane w tym procesie oraz produkty reakcji wskazywały na fuzję. Podobne wyniki szybko osiągnięto w kolejnych laboratoriach − ot, naukowcy tak bardzo chcieli, żeby to była prawda, że ulegli efektowi potwierdzenia (o którym więcej możecie przeczytać tutaj Efekt potwierdzenia, czyli złoty interes Martina Frobishera) i widzieli coś, czego tak naprawdę nie było. Kolejne dokładne testy i eksperymenty zaprzeczyły, aby w takich warunkach mogło dochodzić do fuzji, choć nie wykluczono, że panowie wpadli na trop jakiego nowego zjawiska fizycznego.

Wiadomo też o niejakim A. Rossim, który w 2011 uzyskał patent na urządzenia nazwane “katalizatorem energii”. Ma ono rzekomo prowadzić do fuzji atomów niklu i wodoru, powodując powstanie miedzi. Komora reaktora ma zawierać jakieś bliżej niesprecyzowane katalizatory i ogrzewać się w wyniku zjawiska oporności elektrycznej. Ponieważ Rossi odmawia poddania urządzenia niezależnym testom, jak również nie opublikował opisu rzekomo zachodzącego zjawiska, to uważam, że można je postawić na tej samej półce, na której trzymamy “perpetuum mobile” i homeopatię. Mamy rok 2024 i żadna wielka korporacja nie zainteresowała się przez tyle lat tak wspaniałym wynalazkiem? Nikt nie chce taniego źródła energii? No, głupi ludzie…

Oczywiście nie można wykluczyć, że fuzja tego rodzaju zachodzi spontanicznie, choć niezwykle wolno − jednak, jak wskazują obliczenia, czas potrzebny na zajście takiego zjawiska (jeśli jest możliwe) przekracza czas życia Wszechświata jakiś miliard razy.

Rozwiązaniem naszych problemów z energią wydają mi się reaktory torowe, o których pisałem więcej w tekście pt. O torze i kserze. Przede wszystkim wiemy, że mogą działać, i taka technologia już istnieje − po prostu musimy ją wdrożyć na szeroką skalę i upewnić się, że nie zachodzi nic nieprzewidzianego. Paliwo do nich jest praktycznie wszędzie, same są w stanie dopalić już istniejące odpady z innych reaktorów, a ich odpadami będą w większości cenne gazy szlachetne lub izotop plutonu mający zastosowanie w bateriach RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator o których więcej w tekście Pluton-238 – na przystanku po drodze w Kosmos). Dodatkowo będą to konstrukcje samoistnie bezpieczne. Bądźmy realistami: fuzja to faktycznie rzecz atrakcyjna, ale czy ekonomiczna i możliwa do wdrożenia w skali stu lat?

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *