Energia skupiona w oddziaływaniach silnych ,czyli w oddziaływaniach pomiędzy nukleonami, może być wyzwolona w dwóch różnych procesach fizycznych.
Jeden polega na dezintegracji, rozbiciu jąder masywnych np. uranu na fragmenty mniejsze, a drugi jest procesem przeciwnym: połączeniu jąder lekkich w jądro masywniejsze. Ten proces nazywa się fuzją nuklearną, lub syntezą termonuklearną.
Energia nuklearna uzyskana na drodze rozbicia jąder masywnych jest już od ponad 60 lat wykorzystywana wielostronnie w technologii przemysłowej(jej początki leżą w wojennym przemyśle USA i dawnego ZSSR), gdy tymczasem energia fuzji nuklearnej, poza bombą termojądrową, nie została do tej pory opanowana w kontrolowanym i sterowanym procesie przemysłowym.
Wieloletnie próby zbudowania reaktora termojądrowego nie są zachęcające, chociaż nadal trwają pod postacią europejskiego projektu urządzenia ITER budowanego we Francji (Cadarache)i opierającego się na zasadzie pracy znanego typu modelu reaktora termojądrowego zwanego “tokamaka”.
Rys.1
Fizyka plazmy pozwala, za pomocą bardzo silnego pola magnetycznego utrzymać w tzw. pułapce magnetycznej całkowicie zjonizowaną mieszaninę deuteru i trytu ogrzaną do temperatury rzędu 10E7 K ,przy której zachodzi synteza nuklearna z wydzieleniem się potwornej ilości energii.
Problemem centralnym w takim urządzeniu- i do tej pory praktycznie nie rozwiązanym- jest utrzymanie- w stabilnym stanie -ognistej plazmy bez styku ze ściankami komory toroidalnej.
Tymczasem równolegle, od połowy lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku prowadzone były projektowe prace nad wywołaniem mikrosyntezy jądrowej z wykorzystaniem wiązek światła laserowego.
Z teorii (i doświadczeń wojskowych w zakresie eksplozji ładunków termojądrowych) wiadomo że do syntezy np. jądra helu z jąder atomów wodoru, deuteru i trytu potrzebne są:
- wysoka temperatura ,rzędu 10E7 K
- wysokie ciśnienie rzędu 10E11 at
- wysoka gęstość mieszaniny H,D,T rzędu 10E3 g/cm3
W 1996 roku, Departament Energetyki USA otworzył oficjalnie w kalifornijskim Lawrance National Laboratory ( w miejscowosci : Livermore) rządowy projekt badawczy pod kryptonimem NIF (National Ignition Facility),projekt budowy urządzenia do wywoływania laserowej mikrosyntezy jądrowej.
Trzynaście lat później, to znaczy w tym roku, właśnie nie dawno bo 23 marca, Amerykanie ukończyli budowę NIF, wydatkując na to ponad 4 miliardy dolarów [1].
Jest to doniosły ,o charakterze sensacyjnym, postęp badawczy w fizyce plazmy. Z punktu widzenia ewentualnych korzyści badawczych może być porównany do uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).
Kierownictwo naukowe projektu NIF (dyrektor – Ed Moses)[2] oświadczyło, iż pierwsze próbne eksperymenty planowane są na styczeń przyszłego roku (2010).Ogólny schemat układu, w którym będzie realizowana laserowa mikrosynteza jądrowa ma postać rozległego bloku fabrycznego (rys.2).
Rys.2
Stanowi go system sprzężonych 192 laserów (kanałów laserowych)pracujących impulsowo w paśmie nadfioletu o bazowej długości fali 0,351 mikrometrów. Na wyjściu tego układu, impulsowa wiązka promieniowania będzie miała energię 1,8 megadżula [MJ}, co kwalifikuje go do kategorii najpotężniejszego lasera ze znanych na świecie.
Dla porównania : najpotężniejszy laser z istniejących i pracujących ,też amerykański ,na uniwersytecie w Rochester (kryptonim systemu - OMEGA) emituje wiązkę o energii 40 kJ, czyli 45 razy słabszą.
System laserów NIF będzie impulsował w czasie kilku nanosekund, co daje moc wiązki wyjściowej: ok. 500 terawatów [TW] ,czyli 500 trylionów watów.
Oczekuje się ,że ta wiązka promieniowania ultrafioletowego, uzyskana z systemu 192 laserów ,skierowana w środowisko mieszaniny H,D,T,
o mikro rozmiarach, wywoła w tym środowisku osobliwe, ekstremalne warunki fizyczne, takie o jakich mówi teoretyczna astrofizyka w odniesieniu do wnętrza gwiazd:
- temperaturę rzędu 100 milionów kelwinów
- ciśnienie rzędu 100 miliardów atmosfer
- gęstość mieszaniny rzędu 100g/cm^3.
Wiązką ultrafioletu, ze 192 laserów impulsuje się nie bezpośrednio na plazmoid złożony z jąder H,D,T , lecz na ścianki kapsuły o rozmiarach milimetrowych, w której ten plazmoid znajduje się , w wyniku czego ścianki kapsuły zaczynają emitować promieniowanie rentgenowskie.
Rys.3
Plazmoid ma postać kulistych “pastylek” z berylu o średnicy 2 mm. Na wewnętrznej powierzchni tych pastylek znajduje się warstwa mieszaniny H,D,T.
Pod wpływem promieni Roentgena, kulista powłoka berylowa “pastylek” gwałtownie wyparowuje, a atomy berylu uzyskują pędy skierowane promieniście na zewnątrz (symetria kulista wektorów pędu).
Na mocy zasady zachowania pędu układu “ powłoka berylowa + plazmoid” wewnętrzna warstwa plazmoidu złożona z H,D,T podlega wybuchowemu sprężeniu, implozji do centrum “pastylki” tak silnie i szybko ,że w mieszaninie H,D,T zachodzi termojądrowa reakcja.
Tak metoda, implozywnego sprężenia , zagęszczenia plazmy wodorowo-deuterowo-trytowej oraz osiągnięcia temperatury krytycznej potrzebnej do fuzji nuklearnej, nosi nazwę inercyjnej pułapki. Sukces technologiczny i naukowy fizyki amerykańskiej jest imponujący.
Znaczenie uzyskania technicznych możliwości wywołania warunków zbliżonych do kosmicznej nukleosyntezy jest nie do przecenienia. Szereg fundamentalnych hipotez kosmochemii oraz fizyki gwiazd osobliwych takich jak np. supernowe może podlegać w procesie mikrosyntezy jądrowej inicjowanej przez układ laserowy doświadczalnej weryfikacji.
Można będzie zweryfikować hipotetyczny proces powstawania pierwiastków ciężkich ( w tym żelaza)w późnym okresie ewolucji gwiazd(tuż przed fazą supernowej) i przede wszystkim powstawanie mikro-czarnych dziur. Istnieje również teoretycznie opracowana hipoteza o możliwości pomiaru lokalnej krzywizny czasoprzestrzeni związanej z fragmentem materii o takiej olbrzymiej gęstości.
Opinia publiczna w niektórych krajach, krytycznie nastawiona sugeruje że realizacja projektu NIL, ma za zadanie ominięcie zakazu eksperymentów z ładunkami termojądrowymi (bombami),gdyż dotychczas w tej dziedzinie prace badawcze miały charakter symulacji komputerowych, z natury rzeczy mniej cennych od bezpośrednich obserwacji i pomiarów odpowiednich parametrów kontrolowanej reakcji fuzji nuklearnej.
Osobiście ,bardziej jestem zainteresowany zagadnieniem metodologicznym rozwoju fizyki i skutkami cywilizacyjnymi tego rozwoju. Fizyka współczesna penetruje takie obszary czasoprzestrzeni i bada tego rodzaju zjawiska oraz obiekty, które wymagają tak olbrzymich energii, że trudno mówić o aparaturze pomiarowej typu laboratoryjnego a raczej należy stosować określenie : zakład fabryczny, kompleks przemysłowy.Za tym idą olbrzymie nakłady finansowe, na które mogą pozwolić sobie tylko supermocarstwa.
W konsekwencji “szpica” czyli front badań fizyki staje się własnością jednego państwa i narodu. Istnieje pokusa utajniania wyników badań lub dozowania informacji o nich.
Pewnym antidotum na ten proces, są projekyt międzynarodowe, ale zastanawiające jest to, że supermocarstwa albo “markują” swój udział w tych projektach, albo wręcz do nich nie przystępują, lub w pewnej fazie wycofują się z nich .Na przykład, tak właśnie było, gdy powstawał europejski projekt budowy układu ITER , z którego USA wycofały się.
Jeśli idzie o laserową mikrosyntezę jądrową, to wiadomo,że indywidualne ,narodowe projekty realizują (w różnych fazach):Rosja, Anglia i Niemcy. Już druga połowa XX wieku zadecydowała, że nauka w swych frontowych obszarach stała się własnością narodów bogatych i o potężnej strukturze państwowej, a współpraca międzynarodowa w tym zakresie stała się instrumentem przechwytywania informacji oraz zasobów ludzkich lub nawet kontroli i ograniczania udziału chętnych a nie pożądanych partnerów.
Literatura
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
