Eksperymentalne badania nad zjawiskiem ekranowania elektronowego w reakcjach jądrowych zachodzącymi w środowiskach metalowych implantowanych deuterem oraz odkrycie nowego, wysoko wzbudzonego stanu rezonansowego w jądrze 4He prowadzą do szybkiego rozwoju fizyki i inżynierii reakcji jądrowych zachodzących przy niskich energiach. Naukowcy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Szczecińskiego dzięki wsparciu Unii Europejskiej wyznaczają nową drogę w poszukiwaniu nowego, wydajnego źródła energii.

Ostatnie doniesienia naukowe [1,2,3] potwierdzają istnienie hipotetycznego dotąd wąskiego rezonansu w jądrze 4He [3], rozpadającego się głównie przez tworzenie się par elektron-pozyton. Ten nowy kanał fuzji deuteron-deuteron został ostatnio intensywnie przebadany przez grupę badawczą Centrum Fizyki Eksperymentalnej „eLBRUS”, rejestrując po raz pierwszy powstające w jego wyniku promieniowanie anihilacyjne i promieniowanie hamowania. Eksperymenty zostały wykonane na unikalnym w skali światowej akceleratorze z ultra wysoką próżnią. Stanowią one ukoronowanie wcześniejszych prac i zostały ostatnio opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym Physical Review X [4]. Konsekwencje odkrycia nowego rezonansu i nowego kanału reakcji deuteron-deuteron, które prowadzą do wzrostu prawdopodobieństwa fuzji jądrowej w temperaturach pokojowych o wiele rzędów wielkości trudne są do przecenienia. Otwierają one nowe perspektywy badawcze nad tworzeniem pierwiastków chemicznych we wszechświecie oraz wykorzystaniem tzw. zimnej fuzji jądrowej do opracowania wydajnego, taniego, czystego i bezpiecznego źródła energii. Jest to alternatywa dla reakcji termojądrowych, które mogą być wykorzystane tylko w bardzo dużych urządzeniach takich jak tokomaki czy stelleratory, gdzie plazma jest utrzymywana przy bardzo wysokich temperaturach powyżej 100 mln stopni.

 

WĄSKI REZONANS JĄDROWY W JĄDRZE ZŁOŻONYM 4HE

Wydawało się, że jądro atomowe 4He ma bardzo dobrze znaną strukturę stanów wzbudzonych. Mimo to, badania eksperymentalne nad reakcjami fuzji deuteronów przy ekstremalnie niskich energiach rzuciły nowe światło na ten dobrze poznany układ. Reakcje fuzji deuteron-deuteron mogą bowiem zachodzić przez jądro złożone 4He, które następnie natychmiast rozpada się w dwóch najbardziej prawdopodobnych kanałach reakcji, tworząc protony i trytony lub neutrony i cząstki 3He. Kanał rozpadu poprzez emisję kwantów gamma jest siedem rzędów wielkości słabszy. W ostatnich publikacjach [3,4] pokazano jednak, że w wyniku fuzji deuteronów obserwuje się także pary elektron-pozyton, które pochodzą z rozpadu nieznanego dotąd wąskiego poziomu rezonansowego w jądrze 4He o energii 23.8 MeV. Ten kanał rozpadu został wcześniej przewidziany teoretycznie [5], sugerując, że może on znacząco wzmocnić prawdopodobieństwo na fuzji deuteronów przy bardzo niskich energiach. Wydaje się, że stworzenie nowego źródła energii, generatorów ciepła lub energii elektrycznej, jest w zasięgu ręki.

 

EKRANOWANIE ELEKTRONOWE WZMACNIAJĄCE PRAWDOPODOBIEŃSTWO REAKCJI JĄDROWYCH

Drugim, niezależnym efektem, który znacznie ułatwia zajście fuzji jądrowej przy bardzo niskich energiach jest ekranowanie elektronowe, które prowadzi do osłabienia elektrycznego odpychania dodatnio naładowanych jąder atomowych przez otaczające elektrony. Eksperymentalne badania tego zjawiska prowadzone są w Szczecinie od wielu lat w kontekście astrofizyki jądrowej i znaczenia dla procesów zachodzących w plazmie gwiazdowej. Dziś uczeni rozumieją, że obserwowane wzmocnienie przekroju czynnego na reakcje jądrowe zachodzące przy niskich energiach z udziałem deuteru upakowanym w metalowych próbkach wynika z właściwości ciała stałego i związane jest z fizyką wykorzystanych materiałów. Zademonstrowano, iż ekranowanie elektronowe zależy od rodzaju i koncentracji defektów w sieci krystalicznej metalu, w którym zachodzi reakcja [6]. Wykazano także, że wydajność fuzji deuteronów w temperaturze pokojowej może wzrosnąć dzięki temu efektowi nawet o dwadzieścia rzędów wielkości, umożliwiając jej komercyjne zastosowanie. Przy tym przygotowanie materiału próbek ma znaczący wpływ na otrzymywane eksperymentalnie wyniki. Należy pamiętać, że zwiększona wydajność reakcji prowadzi do większej ilości energii uwalnianej w takim procesie, a energia ta może być wykorzystana do zaspokojenia naszych codziennych potrzeb energetycznych.

 

MIĘDZYNARODOWE WSPARCIE BADAŃ

Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w badaniu reakcji jądrowych zachodzących w metalach przy niskich energiach grupa naukowców z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Szczecińskiego zdobyła europejskie środki na finansowanie badań prowadzonych we współpracy z 16 instytucjami naukowymi i przedstawicielami gospodarki z Europy i świata. Projekt CleanHME był ukierunkowany na opracowanie nowego źródła energii bazującego na zjawiskach niskoenergetycznej fuzji jądrowej. W ramach projektu badane były rozmaite materiały metaliczne, ale również stopy metali czy nanoproszki pozwalające na uzyskiwanie produkcji nadwyżki ciepła w obserwowanych procesach jądrowych. Projekt ten zakończył się we wrześniu bieżącego roku pełnym sukcesem i stanowi podwaliny pod dalsze prace aplikacyjne.

„Szczegółowe zrozumienie natury nowego rezonansu w 4He będzie odgrywało ogromną rolę w konstrukcji przyszłych źródeł energii, wykorzystujących fuzję deuteronów. Podobne znaczenie dla nauki i techniki miał już w przeszłości inny rezonans, tzw. rezonans Hoyle’a [7], który został zapostulowany a następnie potwierdzony doświadczalnie, rzucając nowe światło na proces spalania helu i syntezę 12C w masywnych gwiazdach.” – podsumowuje prof. Konrad Czerski, lider szczecińskiej grupy badawczej.

Prowadzone badania finansowane były z programu badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 Unii Europejskiej w ramach umowy o grant numer 951974. Projekt był koordynowany przez Uniwersytet Szczeciński.

 

[1] K. Czerski et al., Phys. Rev. C 109, L021601 (2024)

[2] G. Haridas Das et al., Measurement 228, 114392 (2024)

[3] K. Czerski et al., Europhys. Lett. 113, 22001 (2016)

[4] R. Dubey et al., Phys. Rev. X 15, 041004 (2025)

[5] K. Czerski, Phys. Rev. C 106, L011601 (2022)

[6] A. Kowalska et al., Materials 18, 1331 (2025)

[7] F. Hoyle, Astrophys. J. Suppl. Ser. 1, 121 (1954)