Ryszard Wodnicki – Laserowa synteza termojądrowa po 50 latach
Ryszard Wodnicki
Synteza termojądrowa zaczęła wzbudzać coraz większe zainteresowanie jako potencjalne, wydajne źródło energii. W odróżnieniu od reakcji rozszczepienia jąder ciężkich, w reakcji syntezy jąder lekkich (np. Deuteru i Trytu), otrzymuje się wielokrotnie więcej energii.
Praktyczna realizacja i kontrola tego procesu, mogłaby stworzyć nowe żródło energii czystej i odnawialnej, tak ważne dla koniecznej transformacji energetycznej.
Przeprowadzenie reakcji syntezy jąder deuteru i trytu wymaga jednak działania zewnętrznego w celu pokonania sił elektrostatycznych. Dla reakcji D+T termiczne połączenie jąder wymaga temperatur > 100 mln K. Stworzenie takich warunków w praktyce nie jest jednak proste. Dotychczas zrealizowano je jedynie w sposób niekontrolowany, konstruując broń termojądrową (wodorową). Dla stworzenia warunków do syntezy t-j, wykorzystano tutaj energię wytworzoną przez eksplozję rozszczepienia jąder U235.
Koncepcja kontrolowanej syntezy termojądrowej musiała jeszcze poczekać na realizację.
Wynalezienie lasera przez Maimana w 1960r oraz szybki rozwój techniki laserowej, zwróciły uwagę naukowców na nową możliwość zastosowania lasera. Ogniskując wiązkę laserową, spodziewano się wytworzenia w bardzo małej objętości dostatecznie wysokiej temperatury, która umożliwi uzyskanie syntezy termojądrowej. Wymagało to dostarczenia do tej małej objętości bardzo dużej energii w bardzo krótkim czasie.
Prace w zakresie budowy odpowiednich układów laserowych zostały podjęte już w połowie lat 60-tych w 6-ciu przodujących technologicznie krajach : Francja, Anglia, Niemcy, USA, Japonia, ZSRR.
Jako ośrodek czynny w tych laserach zastosowano szkło domieszkowane neodymem. Technologia tego materiału czynnego pozwoliła na wytwarzanie wysokiej jakości elementów czynnych, bez większych ograniczeń wymiarów tych elementów. Stworzyło to możliwość budowy dużych układów laserowych, składających się z generatora krótkiego impulsu i ustawionych za nim w linii wielu wzmacniaczy laserowych.
W tym miejscu należy przywołać prace rozpoczęte po 1967 r. w Polsce pod kierunkiem profesora Sylwestra Kaliskiego, rektora i komendanta WAT [ 1 ]. Dzięki tym pracom,Polska dołączyła w 1973 r. do grona wymienionych już 6-ciu krajów jako 7-my kraj, w którym uzyskano za pomocą silnego impulsu laserowego emisję neutronów z reakcji syntezy D+T. Zostało to osiągnięte za pomocą układu laserowego na szkle neodymowym, zbudowanego przez Zespół Laserów Dużej Mocy i Energii (Z III A), kierowany przez prof. Zdzisława Jankiewicza i działający w ramach Instytutu Elektroniki Kwantowej WAT. Laser ten generował impuls o energii 30 J i czasie trwania ok. 2,5 ns przy średnicy wiązki wyjściowej 45 mm [ 2 ].
W latach 70-tych nie tylko szkło neodymowe zastosowano jako materiał czynny w systemach laserowych do badań fuzji t-j. W Instytucie Maxa Plancka w Garching (RFN), do wytwarzania i badania plazmy laserowej zastosowano laser jodowy (dł. fali 1315 nm). System ASTERIX III generował wówczas impuls o mocy 60 GW (1975r). Udoskonalona później wersja ASTERIX IV umożliwiała już generację impulsu o czasie trwania 0.5 – 4 ns i energii do 2 kJ ( system ASTERIX pracuje obecnie w PALS Research Center w Pradze).
Rezultaty badań plazmy wytwarzanej laserem, uzyskiwane wówczas w różnych ośrodkach naukowych pokazywały, że osiągane dotychczas energie i moce laserów są w stanie zaledwie zapoczątkować proces fuzji t-j. Pokazały one, że wytwarzana impulsem laserowym plazma wymaga nie tylko znacznie silniejszego nagrzewania, ale dodatkowo wymaga ściskania.
Stworzyło to nowe wymagania dla systemów laserowych. Stało się jasne, że konieczna jest budowa wielokanałowych systemów laserowych dużej mocy i symetryczne oświetlanie próbki paliwa D+T z wielu stron.
Budowa takich systemów laserowych wymagała już sporych nakładów finansowych. Zaczęły one zatem powstawać tylko w czołowych, światowych ośrodkach badawczych. Zbudowany w Z IIIA WAT jednokanałowy system laserowy został w roku 1973 unowocześniony i rozbudowany do wersji dwukanałowej z łączną energią impulsu laserowego do 80 J w czasie 2,5 ns. Zaplanowano także budowę 4-kanałowego systemu laserowego z zakładaną energią impulsu 200J, przy średnicy wiązek wyjściowych 45 mm.
W 1974 r. prof. S. Kaliski został Ministrem Nauki Szkolnictwa Wyższego i Techniki. Na bazie zespołów WAT, zajmujących się syntezą t-j, prof. S Kaliski utworzył 1.01.1976 r. przy MNSzWiT i MON Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM).
Budowę układu 4-kanałowego ukończono już w IFPiLM. Była to największa instalacja laserowa wybudowana w Polsce dla badań syntezy termojądrowej[ 3 ].
Potrzebne energie i moce impulsów laserowych w badaniach syntezy t-j, wymagały ciągłej modyfikacji i rozwoju systemów laserowych. Wytrzymałość materiałów czynnych na gęstość mocy promieniowania laserowego zmuszała także do zwiększania średnicy wiązki laserowej i stosowania wzmacniaczy dyskowych.
Podejmowane, szeroko zakrojone prace badawcze, miały bardzo duży wpływ na ogólny rozwój techniki laserowej. Rozwinięto techniki wytwarzania i formowania krótkich impulsów laserowych. Rozwinięto także technologie otrzymywania materiałów krystalicznych dla modulacji promieniowania laserowego i powielania częstotliwości. Opracowano również nowe technologie wydajnych źródeł pobudzania oraz podniesiono sprawność laserów. Opracowano wreszcie metodę wzmacniania femto sekundowych impulsów laserowych CPA (chirped pulse amplification), nagrodzoną nagrodą Nobla w 2018 r.[ 4 }. Stworzyło to możliwość budowy laserów, generujących impulsy o mocach peta watowych.
Wiodącym ośrodkiem światowym okazał się instytut naukowo-badawczy Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w USA, należący do Uniwersytetu Kalifornijskiego. Już zbudowany tam w 1974 r. 2-kanałowy laser ARGUS generował impuls o energii 2 kJ i czasie trwania 1 ns przy średnicy wyjściowej wiązki laserowej 200 mm.
Kolejny system laserowy SHIVA (1977 r) zawierał już 20 kanałów a średnica wyjściowej wiązki laserowej wynosiła 300 mm. Układ ten dostarczał do tarczy D+T energię 10 kJ w czasie 1-3 ns.
Na tym etapie nie spodziewano się jeszcze, że SHIVA pozwoli na osiągnięcie warunków zapłonu. Nie udało się osiągnąć tego również przy kolejnym systemie laserowym SHIVA NOVA (1984 r), który w impulsie 2,5 ns mógł dostarczyć do tarczy D+T energię 150 kJ.
Dla dalszych badań podjęto w LLNL budowę znacznie większego systemu laserowego. Ukończony i uruchomiony w 2009 r. największy w historii system laserowy NIF (National Ignition Facility) posiada 192 kanały i pozwala na oświetlanie tarczy D+T impulsem o energii do 4 MJ.
W dniu 5.12.2022 r. naukowcy LLNL po raz pierwszy w historii pokonali teoretyczny próg wydajności (scientific breakeven), uzyskując dodatni bilans energii. Dostarczając do tarczy D+T impuls laserowy o energii 2,05 MJ uzyskano 3,15 MJ energii z syntezy t-j [ 5 ]. W późniejszych eksperymentach w 2023 r. uzyskano przy energii impulsu laserowego 2.05 MJ energię syntezy 3,88 MJ, co jest najwyższą osiągniętą dotychczas wydajnością.
Jest to niewątpliwie przełomowe osiągnięcie naukowe i istotny krok naprzód w badaniach nad laserową (inercyjną) syntezą t-j.
Uzyskiwane wydajności energii z fuzji odnoszone są tutaj do energii samego impulsu laserowego. Zatem biorąc pod uwagę tylko sprawność lasera, droga do praktycznego zastosowania fuzji laserowej w energetyce jest jeszcze długa. Potrzebny jest tutaj przede wszystkim dalszy, znaczący rozwój technologii oraz istotne podniesienie sprawności laserów,
Oprócz tej koncepcji, równolegle prowadzone są badania nad wytwarzaniem i utrzymywaniem gorącej plazmy w silnym polu magnetycznym z wykorzystaniem reaktorów TOKAMAK. W ostatnim okresie również tutaj uzyskano obiecujące rezultaty, zwłaszcza na tokamaku JET (Joint European Torus), i na tokamaku EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) znajdującym się w Hefei w Chinach.
W budowie znajduje się także wielki tokamak ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor) w Cadarache we Francji. Oczekuje się, że w tym reaktorze osiągnięte zostanie długoczasowe podtrzymywanie reakcji jądrowej.
Zarówno badania syntezy t-j na bazie fuzji laserowej (NIF), jak i badania prowadzone na tokamakach, odgrywają kluczową rolę w opracowaniu źródeł energii dla przyszłych pokoleń. Jest to prawdopodobnie najdroższy na świecie program badawczy. Czasem wymaga on współpracy i współfinansowania międzynarodowego ( jak w przypadku ITER ). Źródła energii oparte na syntezie termojądrowej są jednak tak ważne dla procesu transformacji energetycznej, że realizacja tych badań jest naszym obowiązkiem cywilizacyjnym.
LITERATURA
- Zdzisław Jankiewicz „Polska w badaniach laserowej syntezy termojądrowej”. 2019 r.
- S. Denus, Z. Jankiewicz, S. Kaliski, S. Kowalski, S. Nagraba, W. Nowakowski, P. Parys, E. Stefaniuk, J. Szydlak, W. Szypuła, R. Wodnicki, J. Wolski, J. Wołowski: „Generation of Fusion Neutrons in Plasma Produced by a Strong Laser Pulse” Biull. de L’Acad. Pol. des Sci. vol. XXI, No. 11, 1973.
- S. Kaliski, S. Denus, A. Dubik, S. Nagraba, W. Szypuła, R. Wodnicki, J. Wołowski, J. Zarówny. „Four-Channel Laser System with four ellipsoidal mirror set-up for focusing laser beams”. J. Technical Physics. 20. 1. 117. 1979.
- Arthur Ashkin, Gérard Mourou i Donna Strickland. Nagroda Nobla z fizyki, 2018 r.
- Kramer, David, „National Ignition Facility surpasses long-awaited fusion milestone”,Physics Today, 13.12.2022.