Najczęściej przyjmujemy, że jądro ma kształt kuli. Ale być może koniecznym warunkiem istnienia ciężkich jąder jest spłaszczony lub wydłużony kształt. Fizycy uważają, że mogą one istnieć właśnie dzięki tym kształtom, bowiem one gwarantują optymalne rozłożenie sił działających wewnątrz jądra. Ponadto, nietrwałe superciężkie jądro, rozpadając się, musi nie tylko odrzucić część swojej masy i energii, ale także zmienić kształt, co trwa zwykle nieco dłużej i może sprawić, że twór taki będzie istniał dłużej.
Natomiast polscy naukowcy prof. Jerzy Dudek z Uniwersytetu Louisa Pasteura w Strasburgu i prof. Andrzej Góźdź z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie twierdzą, że jądra atomowe mogą mieć kształt zbliżony do czworościanu foremnego - równobocznej piramidy o trójkątnej podstawie! Odkrycie Polaków może zmienić kierunek badań nad superciężkimi pierwiastkami.
Wiadomo wszak, że nie ma bryły bardziej zwartej niż kula. Ona ma najmniejszą powierzchnię ze wszystkich brył o tej samej objętości, jest więc najbardziej ekonomicznym kształtem powszechnie przybieranym w naturze przez wszelkie twory złożone z małych cząstek utrzymywanych razem siłami spójności: pęcherzyki powietrza, krople wody, planety czy gwiazdy. Z tych samych powodów uważano dotąd, że jądro - złożone z protonów i neutronów zespolonych siłami jądrowymi - też powinno przybierać kształt sfery, dysku lub rozciągnięcie w długie cygaro.
Największe jądra są złożone z grubo ponad 200 nukleonów (protonów i neutronów). Pełen matematyczny opis takiego układu polegałby na określeniu ruchu wszystkich nukleonów powstającym pod wpływem ich wzajemnego oddziaływania. Wiemy jednak, że w ogólnym wypadku zagadnienia takiego nie daje się ściśle rozwiązać nawet dla trzech ciał - ani w mechanice klasycznej, ani w mechanice kwantowej - nawet jeśli oddziaływanie jest stosunkowo proste. Tymczasem oddziaływanie między nukleonami (siły jądrowe) jest skomplikowane i nie w pełni jeszcze poznane. Trzeba więc uciekać się do uproszczeń, przybliżeń, symulacji komputerowych.
Polacy po raz pierwszy wykazali, że możliwe są stabilne jądra o innych symetriach niż kuli czy elipsoidy. Czworościenne jądra powinny mieć jądra, w których liczba protonów lub neutronów (a najlepiej obydwie naraz) jest równa tzw. magicznej liczbie symetrii tetraedralnej: 20, 32, 40, 56, 70, 90, a więc:
wapnia (20 protonów) - budulca skorupy ziemskiej;
germanu (32 protony) - bardzo drogiego metalu, z którego budujemy wysokiej jakości detektory do wykrywania promieniowania elektromagnetycznego;
cyrkonu (40 protonów) - który jest klejnotem w drogich biżuteriach;
baru (56 protonów) - używanego w niektórych związkach pirotechnicznych i farbach;
iterbu (70 protonów) - dobrego surowca na magnesy;
toru (90 protonów) - pierwiastka rozszczepialnego.
Jądra o tak dziwnym kształcie, jak przewidują Polacy, powinny się obracać wokół pewnych tylko osi, wysyłając promieniowanie gamma o charakterystycznej częstotliwości. Fizycy z kilku grup (głównie w USA) próbują wykryć istnienie takich obiektów.
Jeśli uda się potwierdzić istnienie tych "czworościennych" jąder, to jeszcze bardziej oddalimy się od wizji z początków zeszłego wieku, kiedy atom wyobrażano sobie na kształt miniaturowego Układu Słonecznego. Tymczasem ani elektrony nie chcą grać roli planet obiegających jądro atomowe (już dawno temu przekonano się, że nie zajmują określonego miejsca na orbicie), ani też teraz kanciaste jądro atomowe nie za bardzo pasuje do kulistego Słońca.

---

Urządzenie do utrzymywania plazmy w bardzo wysokiej temperaturze

Największe ilości energii można otrzymać w wyniku łączenia się (reakcji syntezy lub inaczej termojądrowej) lekkich jąder na przykład wodoru w cięższe. Ponieważ oba jądra mają ładunek dodatni, występuje między nimi duża siła odpychająca, którą można przezwyciężać tylko wtedy, gdy reagujące jądra mają bardzo dużą energię kinetyczną. Możliwe jest to w bardzo wysokich temperaturach wynoszących 100 milionów stopni Celsjusza. Reakcja termojądrowa zachodzi wewnątrz gwiazd. Obecnie na Ziemi możliwe jest to w bombie wodorowej gdzie zapalnikiem jest bomba atomowa lub wewnątrz specjalnego reaktora, gdzie generowane jest potężne pole magnetyczne, dzięki któremu gorąca plazma (oddzielne jądra i elektrony) trzymana jest z dala od wewnętrznych ścian reaktora. Zawieszana jest w próżni w pułapce z pola magnetycznego i utrzymywana tam jak najdłużej. Urządzenia te przypominające obwarzanek nazwano "tokamakiem" (od pierwszych głosek rosyjskiej nazwy "toroid kamiera magnit katuszka", czyli "komora w kształcie torusa z cewką magnetyczną").
Do reakcji termojądrowej syntezy udało się doprowadzić dopiero na początku lat 90. Najpierw w europejskim akceleratorze znajdującym się w Oxfordshire w Anglii, nazywającym się JET (Joint European Torus)- tokamaku (JET), a potem w Princeton. Jednak Tokamaki na razie potrzebują około dwukrotnie więcej energii niż jej wytwarzają.

Projekt reaktora ITER. Będzie to najbardziej skomplikowane urządzenie w dziejach ludzkości. W środku widać przekrój przez otoczoną elektromagnesami komorę plazmową. Na dole sylwetka ludzka

Pomysł budowy wielkiego, międzynarodowego tokamaka przedstawił Związek Radziecki na szczycie w Genewie w 1985 roku. Od tego czasu ze zmiennym szczęściem trwają negocjacje w sprawie budowy reaktora. Federacja Rosyjska zajęła miejsce ZSRR, a Amerykanie wycofali się w 1998 roku. W 2003 roku USA ponownie zgłosiło swój akces do programu, a także do programu weszły Chiny i Korea Południowa. Po długich targach w czerwcu 2005 roku ustalono, że ITER zostanie zbudowany na południu Francji w Cadarache (w pobliżu Marsylii - gdzie już obecnie znajduje się rządowy ośrodek badań nuklearnych). W 2006 roku ruszyła budowa, która zakończy się w 2016 roku. Koszt wynosi blisko 10 mld dolarów. ITER będzie reaktorem eksperymentalnym, ale ostatnim krokiem na drodze ku energii termojądrowej.
Reaktor składa się z 25 gigantycznych elektromagnesów, z których największy waży 840 ton. Powstające we wnętrzu maszyny pole magnetyczne (100 tysięcy razy silniejsze od ziemskiego) będzie ogromną niewidzialną pułapką. Uwięzione w środku paliwo (deuter lub lit) będzie w reakcji syntezy jądrowej zamieniać się w hel, osiągając temperaturę 100 milionów stopni Celsjusza. W ITERze plazma zapłonie na 500 sekund, w czasie których reaktor wyprodukuje 500 megawatów energii, dziesięć razy więcej, niż pobrał. Z tego będzie mógł oddać 25% mocy, bo reszta będzie konieczna do podtrzymania reakcji.
Paliwem dla reaktora będą łatwo dostępne deuter i lit. W każdym metrze sześciennym morskiej wody jest 30 gramów tzw. ciężkiej wody, czyli deuteru, który można łatwo odzyskać dzięki elektrolizie. Tryt, jeszcze cięższy brat deuteru, będzie uzyskiwany z litu. Energia wyprodukowana z zaledwie 10 gramów deuteru (500 litrów wody) i 15 gramów trytu (30 gramów litu) wystarczy, żeby zaspokoić życiowe zapotrzebowanie na energię przez przeciętnego mieszkańca nowoczesnego miasta.
Następnym etapem po ITERze ma być zbudowanie prawdziwej elektrowni opartej na zjawisku fuzji jądrowej. Elektrownią tą ma być DEMO, czyli DEMOnstration Power Plant. Urządzenie to będzie mieć rozmiary około 15% większe od ITERa, ma dostarczać moc termiczną 2GW i 25 razy więcej energii zamieni na prąd elektryczny niż energia potrzebna do wytworzenia fuzji. Koszt pełnego programu dojścia do elektrowni szacuje się na co najmniej 30 miliardów dolarów.


Za pomocą laserów można skłonić ciężki wodór do fuzji termojądrowej jak we wnętrzu Słońca i produkować energię na skalę przemysłową. Tak przypuszczają japońscy i brytyjscy zamieszczając artykuł we wrześniu 2002 na łamach czasopisma "Nature".
Na początku lat siedemdziesiątych próbowano wykorzystać promieniowanie laserowe, na tyle silne, by wybuchowo rozgrzać warstwę, która otacza wodorowe paliwo. Pomysł upadł, gdyż lasery były wtedy zbyt słabe, by dostatecznie mocno sprężyć gaz (wywołać silną implozję). Wrócono do niego w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych, gdy udało się skonstruować lasery o ogromnej mocy petawata (10 do potęgi 15, a więc 1 000 000 000 000 000 watów).
Pierwsze eksperymenty były niezwykle obiecujące. Podgrzewano laserami małe kuleczki polistyrenu nasyconego deuterem, plastik zmieniał się w plazmę i eksplodował, a wnętrze kuleczki - tak jak oczekiwano - ulegało ściśnięciu. Jego gęstość wzrastała ponad tysiąckrotnie (litr tak ściśniętej wody ważyłby tonę!), a ciśnienie w samym środku sięgało biliona atmosfer. Przy takiej gęstości i ciśnieniu rozbłyskały też reakcje fuzji jąder deuteru. Przy tym cały eksperymentalny układ, w którym "zapalał się" ciężki wodór, był tani i mieścił się na biurku. To ogromny postęp w porównaniu do tokamaków - urządzeń rozmiarów sporego budynku kosztujących setki milionów dolarów. Wartość prądu zużywanego przez lasery była jednak wciąż wielokrotnie większa niż ewentualne zyski energetyczne czerpane z fuzji. Żeby bilans był dodatni, wnętrze deuterowych kulek trzeba by rozpalić do temperatury ponad 100 mln stopni.
Cóż więc robić? Poczekać na konstrukcję jeszcze potężniejszych laserów albo znaleźć sposób dodatkowego podgrzania ściśniętego wodoru. Właśnie tym ostatnim tropem poszła brytyjsko-japońska grupa fizyków z uniwersytetu w Osace.
W roli grzałki fizycy użyli dodatkowego lasera o mocy petawata, który podgrzewa kulkę w krytycznym momencie implozji. Promieniowanie wnika do samego środka kulki (gdzie gęstość jest największa) przez maleńki lejek ze złota. Taki impuls dostatecznie podgrzewa deuter i jest w stanie dokonać termojądrowego zapłonu we wnętrzu kulki. Czekamy na rezultaty eksperymentów.

Ogólny widok Z-Maszyny

Fizycy z Sandia National Laboratory w Nowym Meksyku (USA) zbudowali urządzenie w którym zaszła rekcja termojądrowa nazwane Z-Maszyną. Niestety na razie pochłania ona znacznie więcej energii niż produkuje. Uzyskiwana energia jest około miliard razy mniejsza niż zużyta na doprowadzenie do reakcji syntezy deuteru (izotop wodoru) w hel.
W Z-Maszynie naukowcy postanowili wykorzystać ten sam mechanizm, który prowadzi do wyzwolenia energii w bombie wodorowej, gdzie wodór jest otoczony gęstą plastikową pianą. Obok znajduje się "zwykła" bomba atomowa, która działa jak zapalnik. Intensywne promieniowanie X towarzyszące jej eksplozji dociera do warstwy plastiku jeszcze przed falą uderzeniową. W mgnieniu oka rozgrzewa go, zmienia w plazmę, która rozpręża się wybuchowo. Zostaje więc z ogromną prędkością odrzucona na zewnątrz, a jednocześnie zgodnie z trzecią zasadą dynamiki, działa przeciwna siła skierowana do wewnątrz, która spręża wodór (tj. doprowadza do jego implozji). Taki mechanizm wymyślił polski matematyk Stanisław Ulam, który wraz z Edwardem Tellerem pracował nad pierwszą amerykańską bombą.

Z-Maszyna podczas pracy

Pomysł fizyków z laboratorium Sandia polega na tym, aby zmniejszyć bombę do rozmiarów małej ampułki i wywoływać kontrolowane mikrowybuchy. Z-Maszyna przypomina wielki dysk o średnicy 33 metrów i grubości 6 metrów. W jego centrum tkwi niewielka klatka z 360 pionowych pręcików z wolframu (dziesięć razy cieńszych niż ludzki włos), która więzi małą, dwumilimetrową plastikową kapsułkę z deuterem. Maszyna działa jak ogromny kondensator, gromadzi zapas energii elektrycznej, po czym niezwykle szybko (w kilkadziesiąt nanosekund) uwalnia ją, wtłaczając w pręciki klatki prąd o natężeniu aż 20 mln amperów, tysiąc razy większym niż w wyładowaniu atmosferycznym. Nic dziwnego, że pręciki w mgnieniu oka wyparowują, a powstała plazma emituje silny impuls promieni Rentgena(o chwilowej mocy przekraczającej 200 terawatów), które podgrzewają kapsułkę z deuterem. Ulega ona wybuchowej implozji, czyli kurczy się do rozmiaru ledwie 160 mikrometrów. Ściśnięty deuter osiąga przy tym temperaturę kilkunastu milionów stopni. To wystarcza, by doszło do reakcji syntezy.
Na kwietniowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego naukowcy z laboratorium Sandia ogłosili, że w Z-Maszynie po raz pierwszy doprowadzili do syntezy. Zarejestrowali strumień neutronów, które - oprócz helu - są jednym z produktów reakcji. Ilość wyprodukowanej energii nie była imponująca - ledwie kilka milidżuli (mniej więcej miliardowa część kilowatogodziny). Ale ważniejszy jest sam fakt zademonstrowania, że reaktor działa.
Aby efekty były większe Z-Maszynę trzeba jeszcze rozbudować, żeby każdy jej impuls dawał dużo więcej energii. Potem można otoczyć ją cieczą, która będzie bombardowana neutronami z reakcji syntezy. Tak podgrzana ciecz doprowadzi do wrzenia wodę płynącą w drugim obiegu, a uzyskana para poruszy turbinami. Tak można sobie wyobrazić elektrownię termojądrową. Ale jest jeszcze mnóstwo problemów. Trzeba choćby wymyślić, jak wymieniać wolframowe wkłady ze zużytymi kapsułkami deuteru, żeby energia była produkowana nieustannie.

Klatka z pręcikami wolframu

Kolejnym sposobem na syntezę termojądrową tanim kosztem ma być, jak poinformowano kwietniu 2005 roku w czasopiśmie "Nature", wykorzystanie efektu piroelektrycznego. Efekt piroelektryczny polega na wytwarzaniu przez niektóre kryształy napięcia po podgrzaniu. Przymocowana do kryształu wolframowa igiełka powoduje koncentrację pola elektrycznego do ogromnych wartości. We wnętrzu wypełnionego deuterem zbiornika powstają jony deuteru, które pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego zostają przyspieszone do 1% prędkości światła i trafiają w warstwę stałego deuterku erbu. Dochodzi wtedy do syntezy termojądrowej, co potwierdza pojawienie się neutronów o odpowiedniej energii. Dokonał tego zespół Briana Naranjo z University of California w Los Angeles i udokumentował uzyskane wyniki w przekonywujący sposób.
Układ jest bardzo mały i nie nadaje się do wykorzystania w energetyce, ponieważ pobór energii w procesie chłodzenia i ogrzewania próbki jest wyższy niż energia wytworzona w reakcji termojądrowej. Być może będzie ją zastosować do generowania neutronów w laboratoriach lub w terapii nowotworowej, a nawet jako rodzaj napędu miniaturowych statków kosmicznych.

---

Zimna fuzja rzekomo zachodzi w słoiku z elektrodami zanurzonymi w ciężkiej wodzie

Dużo wysiłku wkłada się obecnie w badaniach nad zimną fuzją, czyli syntezą, która zachodzi w temperaturze znacznie niższej niż temperatura konieczna do pokonania odpychania elektrostatycznego między jądrami. Co roku pojawiają się nowe doniesienia o uzyskaniu reakcji termojądrowej w niskich temperaturach, ale albo to były oszustwa albo wyników takich eksperymentów nie potwierdzono.
W 1989 roku Fleischmann i Pons z uniwersytetu w Utah ogłosili, że dokonali zimnej fuzji przeprowadzonej w temperaturze pokojowej podczas elektrolizy ciężkiej wody za pomocą palladowych elektrod. Stwierdzono wydzielanie nadmiarowej energii, co interpretowano jako zajście reakcji termojądrowej. W Utah otwarto pośpiesznie Instytut Zimnej Fuzji, na który przyznano 5 milionów dolarów grantu. Wybuchła badawcza gorączka, na całym świecie próbowano powtórzyć eksperyment, ale na próżno. Otrzymywane wartości są na granicy błędów. Po kilku miesiącach uznano to doświadczenie za nierealne i odmówiono dalszego finansowania. Jednak co jakiś czas powraca się do idei zimnej fuzji i prowadzone są sporadyczne badania.
Najbardziej obiecująca wydaje się synteza jądrowa katalizowana mionowo. W atomach deuteru trzeba zastąpić elektrony ujemnymi mionami. Mion jest 207 razy cięższy od elektronu, a więc atom mionowy deuteru jest znacznie mniejszy od zwykłego deuteru i może zbliżyć się do innego atomu deuteru na znacznie mniejszą odległość, pozwalającą na zajście syntezy jądrowej.
W innym pomyśle amerykańscy i rosyjscy naukowcy obliczyli, że reakcje kontrolowanej syntezy termojądrowej dałoby się przeprowadzać we wnętrzu malutkich pęcherzyków gazu poddawanych działaniu ultradźwięków.
Fala dźwiękowa nacierająca na wypełniony deuterem i trytem pęcherzyk zanurzony w ciekłym acetonie powodowałaby ściskanie bąbelka, a tym samym gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia w jego wnętrzu. Zdaniem autorów obliczeń wzrost byłby wystarczający do zapoczątkowania reakcji fuzji tych dwóch cięższych izotopów wodoru. Gdyby wszystko poszło tak, jak chcieli uczeni, świat zyskałby niemal nieograniczone źródło pół darmowej energii.
Niestety nic z tego. Z najnowszych obliczeń wykonanych przez prof. Kennetha Suslicka i opublikowanych na łamach "Nature" wynika, że temperatura wewnątrz bąbelka gazu zamiast sięgać niezbędnych milionów stopni, ledwie zbliża się do 20 tysięcy stopni Celsjusza.
Czekamy na nowe pomysły. Zimna fuzja teoretycznie jest możliwa - twierdzą fizycy.

---

Następna »