1968-ųjų žiemą britų fizikai nuvyko į Maskvą apžiūrėti tokamaku pavadintos mašinos. Šis sintezės reaktorius buvo naujai sukurtas, kaip konkurentas Amerikos sintezės bandymui – stelaratoriui.
Rusai teigė, kad tokamakas smarkiai pranoksta stelaratorių. Amerikiečiai nesutiko. Bet britai išsiaiškino, kad rusai buvo teisūs. Tokamakas daug geriau už to laiko stelaratorius vietoje išlaikė karštą atomų branduolių ir elektronų sriubą, vadinamą plazma, kuri yra branduolių sintezės kuras. Taigi stelaratorių naudojimas menko ir tokamakai tapo įprastu būdu paversti branduolių sintezę praktiška ir naudinga technologija.
Termobranduolinė sintezė žadėjo gausią, saugią, švarią energiją iš deuterio, sunkiojo vandenilio izotopo, sudarančio 0,016 proc. iš visų vandenilio atomų, ir tričio, dar sunkesnio vandenilio izotopo, kurį nesunku pagaminti iš ličio.
Jungiant deuterį su tričiu gaunamas helis (ir dar neutronas) bei daugybė energijos. Bet šis pažadas nebuvo išpildytas. Senas pokštas, kad komercinė termobranduolinė sintezė planuojama po 30 metų ir taip bus visada, yra labiau teisingas, nei juokingas. Naujausias tokamakas, Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), statomas Prancūzijoje, pradės (remiantis dabartiniais planais) vykdyti sintezę, pavėlavęs dešimtmetį, 2027 metais, atsiėjęs mažiausiai 15 mlrd. dolerių. Tai daugiau nei dvigubai viršija pradinę kainą. Niekas rimtai nesitiki komercinio įpėdinio sulaukti anksčiau nei šio amžiaus viduryje.
Tačiau pastaraisiais metais nutiko kai kas įdomaus. Nuo septintojo dešimtmečio praktiškai neįsivaizduojamai išaugusiais skaičiavimo pajėgumais sutvarkius persekiojusias problemas, į sceną ėmė grįžti atstumtieji stelaratoriai.
Nėra garantijų, kad jiems pavyks tai, ko nepadarė tokamakai. Bet termobranduolinės sintezės bendruomenėje sklando tikra viltis. Nes lapkritį pradės veikti vokiškas stelaratorius „Wendelstein 7-X“. Tai yra pirmasis stelaratorius, galintis, remiantis tos minėtos skaičiavimo galios duomenimis, sukurti magnetinį lauką, kurio reikia sintezei.
Idealu ir gerai
Atomų branduolių elektrinis krūvis yra teigiamas. Tokie patys krūviai vienas kitą atstumia. Tad labai nelengva du branduolius suartinti pakankamai, kad stiprioji branduolinė sąveika, laikanti branduolius krūvoje, nugalėtų atstumiančią elekromagnetinę jėgą – ir taip sulietų šiuos branduolius į vieną. Reikia milijonų laipsnių temperatūros, kad branduoliai skrietų taip greitai, kad elektromagnetinės sąveikos pasipriešinimas būtų įveiktas. Aukštas spaudimas, koncentruojantis branduolius ir padidinantis jų susidūrimo tikimybę, irgi neprošal.
Kontroliuoti tokią karštą, suspaustą plazmą – o būtent, kad ji neprisiliestų prie kameros sienelių ir taip neprarastų karščio (bei nesugadintų sienelės) – reikia magnetiniais laukais. Jei šie magnetiniai laukai nebus idealūs, plazma nutekės.
Tokamakuose, turinčiuose tuščiavidures riestainio formos kameras, plazma sulaikoma dviem magnetiniais laukais. Vieną sukuria superlaidžiais elektromagnetais, supančiais kamerą ir centrinę skylę. Kitas atsiranda iš pačioje plazmoje indukuotos elektros srovės.
Tokia paprasta kombinacija sukuria magnetines jėgos linijas apie plazmą, suformuojančias iš jos mažesnį riestainį riestainyje. Stiprinant laukus, sukuriamas vis tankesnis riestainis, dėl to plazmos temperatūra ir slėgis kyla, kol pasiekiamas lygis, kai branduoliai gali susilieti.
Tačiau kaina už tokamako paprastumą yra tokia, kad šis laukas išorinių ribų silpnėja ir jo jėgos linijos linkusios slinkti. Plazma slenka įkandin ir dėl to kartais paliečia kameros sieneles.
Tuo tarpu stelaratoriaus sintezės kamera ir ją supantys magnetai panašūs į kažką iš Gaudí idėjų: posūkių, linkių ir asimetrijos kratinį. Teoriškai toks sudėtingumas reiškia, kad poslinkis vienoje kameros dalyje kompensuojamas kitoje, kitaip orientuotoje dalyje. Visame kameros perimetre plazma yra spaudžiama vienodai.
Septintojo dešimtmečio stelaratorių dizainas ir kūrimas buvo pusiau mokslas, pusiau meno forma. Iš čia atsirado palankumas tokamakams. Bet superkompiuteriai ir tikslioji inžinerija tai pakeitė. Tad gali būti, kad palankumo tokamakams vietoje stelaratorių priežastys išnyko. „Wendelstein 7-X“ tai patikrins.
Pirštai, žinoma, bus sukryžiuoti. Kompiuteriniai modeliai nėra realybė, kaip savo kailiu patyrė amerikiečių „National Ignition Facility“ (NIF) projektas. NIF sukurtas atlikti vadinamuosius „inercinius apribojimus“, 192 galingais lazeriais įkaitinant ir suspaudžiant sušaldyto deuterio ir tričio kapsules. Jis puikai atitinka dizaino specifikacijas, bet vis vien nesukuria daugiau energijos nei sunaudoja (gal tik kartais). Visgi ankstesni eksperimentai su mažesniais stelaratoriais reiškia, kad mechanizmo valdytojai iš Maxo Plancko Plazmos fizikos instituto yra gan užtikrinti.
Net jei „Wendelstein 7-X“ veiks, kaip numatyta, ITER behemotas niekur nedings. Tai užtikrins negrįžtamų išlaidų argumentacijos klaida ir šalies šeimininkės bei kitų dalyvių nacionalinis išdidumas. Bet ITER gali būti paverstas iš termobranduolinės sintezės flagmano į technologijos tikrinimo poligoną, pavyzdžiui, neutronams atsparių medžiagų, kurios paskui galėtų būti naudojamos stelaratoriuose.
Tačiau lieka neatsakytas klausimas, kam termobranduolinės sintezės energijos iš viso reikia. Net jei stelaratoriai veiks gerai, 30 metų taisyklė, veikiausiai, tebegalios. O amžiaus viduryje pasaulio energetinis landšaftas veikiausiai bus visai kitoks. Gal išties žiojės pasiūlos skylė, kurią užtaisyti galės tik termobranduolinė sintezė.
Tačiau labiau tikėtina, kad pigūs fotovoltiniai elementai ir energijos kaupimo technologijos reikš, kad didžioji žmonijai reikalingos energijos dalis bus gaunama iš kitokio termobranduolinio reaktoriaus – už 150 milijonų kilometrų esančios Saulės.
Parengta pagal Economist.com inf.
