Opanowanie fuzji jądrowej i wykorzystanie jej w energetyce będzie uważam największym technologicznym osiągnięciem w historii ludzkości oraz mające porównywalne implikacje na przyszłość i dalszą ewolucję (tym razem technologiczną, a nie biologiczną) gatunku ludzkiego, jakie miała nauka wytwarzania i podtrzymywania ognia.

Jest to proces nieporównywalnie trudniejszy od naszego najlepszego obecnie sposobu wytwarzania energii - reakcji nuklearnej (rozszczepienia atomu). Dość powiedzieć, że od samego odkrycia zjawiska rozszczepienia atomu przez niemieckich naukowców w 1938 aż do uruchomienia pierwszego reaktora jądrowego w Chicago, pod boiskiem futbolowym przez Enrico Fermiego w 1942 minęło TYLKO 4 lata! Nad fuzją jądrową ludzkość pracuje nieprzerwanie od mniej-więcej podobnego okresu, co daje nam już 80 lat. Co jest w tym takiego trudnego? A no powstanie warunków do przeprowadzenia takiej reakcji.

O ile rozszczepienie jądra jest dość proste, bo wystarczy zbombardować jedynie jądro ciężkiego pierwiastka neutronem i już mamy reakcję rozszczepienia i powstałą energię (kumulacja tej energii nazywa się reakcją łańcuchową i podtrzymywaniem tego procesu), o tyle do przeprowadzenia fuzji jądrowej musimy pokonać barierę kulombowską (energia wyznaczona na podstawie prawa Coulomba, wynikająca ze wzajemnego oddziaływania elektrostatycznego, jaką muszą mieć dwie naładowane cząstki, żeby mogły zbliżyć się na tyle blisko, aby mogła nastąpić reakcja jądrowa). Aby pokonać tę barierę, trzeba nadać jądrom atomowym (najlepiej wodoru) ogromną energię kinetyczną. Elementarny wzór na energię kinetyczną jest wprost proporcjonalny do temperatury, zatem im większa temperatura tym większa ta energia jest. Czyli łącząc jedno z drugim wiemy, że potrzebujemy ogromnej temperatury. Na Słońcu wynosi ona około 15 milionów stopni Celsjusza i pomimo, że to jest i tak potwornie duża temperatura to jeszcze jest do ogarnięcia, gdyż w warunkach Ziemskich potrzebna jest nam temperatura około 10 razy wyższa, czyli w granicach 150 milionów stopni Celsjusza. Różnica? Ogromne ciśnienie obecne na Słońcu. Utrzymanie takiej temperatury, aby reakcja fuzji mogła przebiegać wydaje się być jeszcze trudniejszym zadaniem. Podobno Chińczycy utrzymali taki stan przez 30 sekund, ile w tym prawdy nie wiadomo. Aby takie warunki (plazmę) utrzymać potrzebny nam jest stabilny katalizator. Na Słońcu jest o potężna grawitacja. Na Ziemi musimy sztucznie „zamknąć” plazmę w magnetycznym lub inercyjnym więzieniu, ale nie mamy mechanizmu, który naturalnie „ściska” jądra – dlatego energia (temperatura) musi to nadrobić. Istnieje jeszcze kilka drobnych różnic, ale dla dobra tego tekstu chyba nie ma co ich poruszać. Wchodzilibyśmy wtedy w świat mechaniki kwantowej, a chyba nie chcemy oszaleć, prawda? Prawda? No dobra, krótko o tunelowaniu kwantowym.

Bez zagłębiania się w szczegóły i trochę wracając do różnic pomiędzy warunkami Ziemskimi i tymi na Słońcu. Na Słońcu zachodzi tunelowanie kwantowe. A co to takiego? Jest to nic innego niż przekroczenie granicy kulombowskiej przez proton w momencie, w którym nie powinno to nastąpić. Czysto w teorii, to nawet na Słońcu w klasycznym rozumieniu nie panują warunki, które pozwoliłyby na reakcję fuzji jądrowej. Sytuację te ratuje właśnie to tunelowanie. Jakimś cudem, proton, który nie ma wystarczającej energii przeskakuję tę granicę. W klasycznym sensie jest to złamanie zasady zachowania energii, fundamentalnej zasady rządzącej wszechświatem. I jest to bardzo proste - jak nie ma na coś wystarczającej energii aby coś się wydarzyło, to nie ma to prawa się wydarzyć. Nie wiem, najlepszy przykład to chyba taki, że próbujesz wnieść piłkę na górkę, ale nie masz na to siły (tfu, energii!), a jakimś cudem ta piłka i tak się tam znajduje bez Twojego udziału. Magia? Nie, mechanika kwantowa. Ktoś mógłby zadać pytanie: to na Ziemi tunelowanie nie zachodzi? Zachodzi, jedynie skala tego zdarzenia w naszej skali byłaby zbyt rzadka. Polega ono bowiem na prawdopodobieństwu. Na Słońcu jest ono na tyle duże, że daje nam życie, a na Ziemi, zachowując skale, byłoby niezwykle rzadkie.

Także, aby w ogóle dać sobie nadzieje na to, musimy opanować podtrzymywanie tych warunków w warunkach Ziemskich, a obecnie nie mamy takich możliwości. Tu całe na biało wjeżdża nadprzewodnictwo i nadprzewodniki (ostatnio cały naukowy świat trąbił o odkryciu koreańczyków, że udało im się zasymulować nadprzewodnictwo, okazało się to jednak zakłamaniem i błędnymi wnioskami). Nie będę długo się rozpisywał, bo niewiele wiem na ten temat, ale są to materiały przewodzące prąd bez żadnych oporów w bardzo niskich temperaturach - czyli kluczowy element potrzebny do budowy reaktora termojądrowego. Po pierwsze, mogą pomóc wyprodukować silniejsze pole magnetyczne (poprzez większy prąd, o straty i opory się nie martwimy), co pozwoli nam na stworzenie lepszego katalizatora plazmy. A poza tym podobno pozwolą na miniaturyzacje reaktorów i ich wiekszą wydajność, ale tu w szczegóły nigdy nie wchodziłem. Ma to natomiast sens.

Mając już gotowy reaktor, potrzeba do niego paliwa. Tu nic się nie zmienia. Tak się składa, że ilość paliwa jest praktycznie nieograniczona. Dlaczego? Wodór jest podstawowym pierwiastkiem wszechświata. Jest go najwięcej. Udział procentowy to 92% (92% wszystkich atomów wszechświata to atomy wodoru). Udział masowy to 74% (74% masy wszystkich atomów wszechświata to atomy wodoru).

Deuter, czyli najważniejszy izotop wodoru do przeprowadzenia fuzji jądrowej naturalnie występuje i stanowi ~0,015% całego udziału w występowaniu naturalnego wodoru. Niby mało, ale biorąc pod uwagę powyższe informacje, to i tak jest go w ciul. W samych oceanach na Ziemi znajduje się go około 10^16 kg (czyli 1 i 16 zer).

Jak wypadają wartości energetyczne, porównując energię jaką można otrzymać z 1kg węgla/uranu/wodóru?

Fuzja deuter-tryt ~337,000,000 MJ
Reakcja jądrowa (uran) ~88,000,000 MJ

Dla porównania reszta konwencjonalnych źródeł:

Węgiel ~24 MJ
Benzyna ~44 MJ
Drewno ~15 MJ

Do wszystkiego potrzebna jest energia. Energia, a raczej miara jej wykorzystania to idealne odzwierciedlenia stopnia rozwoju cywilizacji. Zobaczcie, jak wszystko przyśpieszyło w miarę odkrycia elektryczności, magnetyzmu, pożenienia ich ze sobą za sprawą Maxwella, rewolucji przemysłowej i wykorzystania pary (a raczej jej energii) i maszyn na tę parę. Już nigdy od tamtej pory od tego uzależnienia od energii się nie oderwaliśmy i nigdy nie oderwiemy. Teraz, aby tworzyć coraz mocniejszą AI, trzeba coraz więcej energii do jej zasilania, a obecnie ta energia jest bardzo droga. Skala Kardashowa (stopień rozwoju cywilizacji) bazuje na stopniu, w jakim i ile energii cywylizacja jest w stanie wytworzyć i wykorzystać. Fuzja jądrowa i jej opanowanie w warunkach Ziemskich zadziała jak winda dla rozwoju ludzkiej cywilizacji.

Podsumowując: Co oznacza okiełznanie fuzji jądrowej, w warunkach ziemskich? Niedający się przewidzieć rozwój cywlizacji. W skrócie, taka prawda. Odsolenie wody morskiej na ogromną skalę, niewyobrażalne przyśpieszenie kolonizacji kosmosu, posiadanie praktycznie nieograniczonej, dużo czystszej energii, brak potrzeby składowania odpadów, a co najważniejsze: największa rewolucja przemysłowo/technologiczna w historii ludzkości.

Co potrzeba? Czasu, pieniędzy, bardzo dużo pieniędzy, pokoju na świecie, możliwości współpracy pomiędzy największymi ośrodkami naukowymi i najlepszymi z najlepszych oraz przebłysku geniuszu. Jestem w stanie sobie wyobrazić, że za kilkadziesiąt lat rządy państw lub jakiś rząd federacyjny będzie zwiększał wydatki na swoje R&D coraz to bardziej, aż dojdziemy do poziomu, gdzie wydatki na R&D przekroczą wydatki na obronność. Wtedy ludzkość będzie na dobrej drodze. Myślę, że XXII wiek może być tym przełomowym.

PS. Oczywiście szansę myślenia o tym, jak takie gigantyczne ilości energii można wytworzyć, zarówno na przykładzie fuzji jądrowej i reakcji jądrowej rozszczepienia jądra atomu, dał nam Albert Einstein i jego wzór E=mc^2. Najsłynniejszy wzór fizyczny świata.