Historyczny przełom dla czystej energii przyszłości
Lasery zapoczątkowały fuzję jądrową: Praktycznie niewyczerpalne źródło energii
Lasery zapaliły na Ziemi mini-gwiazdę, kładąc podwaliny pod czyste źródło energii przyszłości: Historyczny przełom w badaniach nad fuzją jądrową z zachowaniem warunków inercyjnych w National Ignition Facility w Lawrence Livermore National Lab i przełomowy moment dla fotoniki!
Jedno z najbardziej obiecujących zastosowań technologii laserowej, realizacja fuzji jądrowej napędzanej laserem, osiągnęło historyczny przełom. Jak ogłosiło Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, Kalifornia, USA) w komunikacie prasowym z 13 grudnia 2022 r., amerykańscy naukowcy pracujący w National Ignition Facility (NIF) byli w stanie uwolnić 3,15 megadżula (MJ) energii termojądrowej z peletu wypełnionego izotopami wodoru - deuterem i trytem. Odpowiada to 154 procentom z 2,05 MJ energii zużytej przez impuls laserowy, który wywołał wybuch. Ten zysk energetyczny netto stanowi pierwszy, długo oczekiwany na arenie międzynarodowej przełom w badaniach nad fuzją jądrową. Dla misji Departamentu Energii USA w zakresie fizyki wysokich gęstości energii, te najnowsze wyniki badań i rozwoju stanowią bezprecedensowy impuls. Stanowią one fizyczną podstawę do wytworzenia wydajnego źródła energii porównywalnego ze słońcem, które w dłuższej perspektywie będzie użytecznym uzupełnieniem energii odnawialnych.
"Sprowadzenie na Ziemię siły gwiazd wyznacza punkt zwrotny dla ludzkości, czyniąc perspektywę czystego, obfitego, bezpiecznego i niezawodnego źródła energii namacalną" - powiedział zachwycony profesor Constantin Häfner, dyrektor Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT w Aachen w Niemczech, który sam przez lata pełnił funkcję szefa programu zaawansowanych technologii fotonowych w NIF do 2019 roku. "Ten przełom jest zwieńczeniem 60-letniej podróży naukowej mającej na celu rozwiązanie jednego z najtrudniejszych wyzwań technicznych stojących przed ludzkością".
Fuzja wodoru z helem uwalnia ogromne ilości energii
W nowym kroku milowym w NIF, ogromne lasery impulsowe precyzyjnie kierują energię ponad 2 milionów dżuli światła UV do pokrytego złotem cylindra o długości ~1 cm, który eksperci nazywają "wnęką". Tam, oddziaływanie wiązek laserowych z wewnętrznymi ściankami generuje promieniowanie rentgenowskie. Te następnie rozprowadzają się równomiernie we wnęce, jak w gorącym piekarniku. Kula o wielkości około 2 milimetrów, która zawiera mieszaninę izotopów wodoru - deuteru i trytu - i pływa w środku wnęki, pochłania rozchodzące się promieniowanie rentgenowskie i szybko się nagrzewa. Zewnętrzna powłoka tzw. peletu zostaje zdmuchnięta, a powstałe ciśnienie implozyjne spręża paliwo wodorowe do gęstości sto razy większej niż gęstość materii stałej, tworząc w jego centrum gorący punkt o temperaturze ponad 120 milionów stopni Celsjusza. To z kolei wywołuje fuzję wodoru w hel. Każda reakcja fuzji dwóch lekkich jąder uwalnia 17,6 MeV na reakcję w postaci neutronów i cząstek alfa. Cząstki alfa są natychmiast pochłaniane przez plazmę, powodując jej dalsze nagrzewanie i uruchamiając samonapędzającą się falę spalania. Po mniej niż 100 pikosekundach wysoka temperatura i ogromne ciśnienie powodują rozprężenie pozostałego paliwa i spadek parametrów poniżej progu dla fuzji, zwanego kryterium Lawsona. Efekt ten sprawia również, że reakcja fuzji jest bezpieczna, gdyż nie może dojść do krytycznej reakcji łańcuchowej.
W obecnym eksperymencie do sprężenia i podgrzania tarczy użyto 2,05 MJ energii lasera. Z powodu nieefektywności procesu implozji, tylko ~1 procent energii jest dostarczane do gorącego punktu. Przełom termiczny wywołany reakcją termojądrową spowodował zapłon plazmy i wygenerował ~3,15 MJ energii o mocy chwilowej około 52 500 000 000 000 watów o średnicy mniejszej niż włos. Kluczowy postęp w stosunku do wcześniejszych wyników był możliwy dzięki danym z poprzednich eksperymentów i lepszemu zrozumieniu fizyki fuzji, co następnie doprowadziło do ulepszenia konstrukcji wnęki, struktury granulatu paliwowego oraz modyfikacji lasera i impulsu laserowego.
Energia termojądrowa: czyste i prawie niewyczerpalne źródło energii przyszłości
Aby osiągnąć globalny cel klimatyczny, jakim jest ograniczenie globalnego ocieplenia do mniej niż 2 stopni Celsjusza, Niemcy muszą do 2045 roku stać się neutralne pod względem emisji gazów cieplarnianych. Ma to zostać osiągnięte za pomocą masowej i szybkiej ekspansji energii odnawialnych z obecnego poziomu nieco poniżej 50 procent do 100 procent w produkcji prądu oraz całkowitego odejścia od paliw kopalnych we wszystkich sektorach końcowych poprzez zwiększenie efektywności energetycznej i wykorzystanie wszystkich rodzajów odnawialnych źródeł energii. Pozwoli to na stałe zmniejszenie uzależnienia od importu paliw kopalnych. Jednocześnie wodór produkowany z zasobów odnawialnych jest potrzebny do przechowywania i transportu energii z miejsc o wysokiej efektywności wykorzystania energii słonecznej i wiatrowej. "Oczekuje się, że w nadchodzących dekadach globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną gwałtownie wzrośnie. Z jednej strony energia elektryczna stanie się najważniejszą energią pierwotną, ponieważ w coraz większym stopniu będzie wykorzystywana również do wytwarzania ciepła w budynkach i przemyśle, a także w sektorze mobilności i przetwarzana na wodór i pochodne wodoru" - mówi prof. Hans-Martin Henning, dyrektor Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE i przewodniczący niemieckiej rady doradczej ds. zmian klimatu. "Z drugiej strony, energia elektryczna będzie potrzebna w jeszcze znacznie większych ilościach niż obecnie do odsalania wody, a w dłuższej perspektywie prawdopodobnie także do usuwania dwutlenku węgla z atmosfery".
Wytwarzanie energii poprzez fuzję mogłoby otworzyć dodatkowe, prawie niewyczerpalne, niezależne od pogody i przede wszystkim równie bezemisyjne źródło energii. Kontrolowana fuzja termojądrowa do produkcji energii jest jednak technicznie niezwykle wymagająca; rozwiązanie pozostałych wyzwań i budowa pierwszego demonstratora fuzji termojądrowej zajmie z pewnością więcej niż dekadę. Z tego względu nie przyczyni się ona do szybszej redukcji emisji gazów cieplarnianych w perspektywie krótko- i średnioterminowej. Prof. Häfner, specjalista ds. badań nad syntezą jądrową w Fraunhofer-Gesellschaft, dodaje: "Synteza jądrowa to inwestycja o wysokim ryzyku i wysokiej stopie zwrotu, a w przypadku powodzenia - święty Graal pozwalający na osiągnięcie suwerenności energetycznej i zaspokojenie światowego zapotrzebowania na energię w długim okresie. Teraz nadszedł czas, aby wyruszyć w podróż mającą na celu wprowadzenie energii termojądrowej do sieci, która potrwa kilka dziesięcioleci. Pod warunkiem, że świat będzie skłonny do dokonania i utrzymania inwestycji."
Pilna potrzeba zademonstrowania, a następnie wprowadzenia na rynek inercyjnej energii termojądrowej (IFE) jest podbudowana szybko rosnącym zainteresowaniem sektora prywatnego rozwojem energii termojądrowej. W marcu 2022 roku Biuro Polityki Naukowej i Technologicznej Białego Domu Stanów Zjednoczonych zgromadziło przemysł i środowiska akademickie na szczycie, aby ogłosić śmiałą, dziesięcioletnią wizję komercyjnego rozwoju energii termojądrowej.
Rosnąca liczba start-upów na całym świecie zajmuje się aspektami rozwoju technologii, które są nadal potrzebne. Obecnie ponad 30 firm pracuje nad fuzją magnetyczną, czyli Magnetic confinement Fusion Energy (MCF) oraz technologiami magneto-inercyjnymi, a 6 firm nad IFE. Łączne inwestycje wzrosły z 1,8 mld dolarów w ciągu ostatnich dwóch lat do ponad 4,7 mld dolarów obecnie, jak podaje Fusion Industry Association. Cztery ze start-upów mają siedzibę w Niemczech.
Zmiana kierunku w technologii laserowej
Najnowszy eksperyment IFE stanowi wielkie osiągnięcie dla nauki i jest świadectwem wszechstronności i precyzji laserów. W wartym 3,5 mld dolarów obiekcie NIF znajduje się system laserowy o najwyższej energii na świecie oraz największy system optyczny na świecie, obejmujący ponad 7500 metrów specjalistycznej optyki, która generuje i kieruje energię laserową do celu. System NIF jest zazwyczaj odpalany raz dziennie; demonstrator lub elektrownia IFE musiałyby odpalać 10-20 razy na sekundę przy wysokiej wydajności. Wszystkie systemy wtrysku paliwa do celu, systemy zarządzania odpadami oraz koncepcje laserowe muszą wykazać się wydajnością, niezawodnością, możliwością utrzymania i eksploatacji; architektury i technologie muszą dojrzeć do postaci urządzeń gotowych do pracy w elektrowni termojądrowej, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji i eksploatacji oraz zabezpieczeniu i budowie łańcuchów dostaw. Konieczne obniżenie kosztów, często o kilka rzędów wielkości, wymaga innowacyjnych i przełomowych rozwiązań ze strony przemysłu laserowego i optycznego.
"Załóżmy, że w 2050 r. będziemy musieli uruchamiać kilka elektrowni termojądrowych rocznie, aby IFE mogła przyczynić się do zaopatrzenia nas w energię elektryczną. Wymaga to produkcji wielu setek potężnych laserów wielkości zamorskich kontenerów" - mówi prof. Häfner. "Musimy całkowicie przemyśleć produkcję laserów i optyki i ustawić zautomatyzowane linie produkcyjne jak w przemyśle samochodowym, tylko z precyzją kilku długości fal optycznych". Nośniki wzmacniaczy, optyka, powłoki, kryształy - wszystko to wymaga masowej produkcji przy niskich kosztach. A na drodze do energii termojądrowej jest jeszcze wiele innych złożonych problemów do rozwiązania. Ale wyzwania pobudzają innowacje, a innowacje przyciągają nowe rozwiązania na innych rynkach, dzięki czemu inwestycje szybko się zwracają. Prof. Häfner podsumowuje: "Energia termojądrowa to przedsięwzięcie, w którym stawka jest bardzo wysoka, dlatego dobrą strategią jest rozpoczęcie i realizowanie najbardziej obiecujących koncepcji. Wyścig trwa."