Antradienį JAV vyriausybės finansuojamo Nacionalinio uždegimo įrenginio (National Ignition Facility, NIF) Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje Kalifornijoje fizikai paskelbė, kad jiems pavyko paleisti maždaug 2 megadžaulių energijos lazerį į mažytę kuro granulę, sudarytą iš dviejų vandenilio izotopų, paversti atomus plazma ir pagaminti 3 megadžaulius energijos, t. y. 50 proc. daugiau.
Mokslininkai labai džiaugiasi gautais rezultatais – tačiau yra atsargūs, kad visko pernelyg nesureikšmintų. Visas reaktorius nepagamino grynojo energijos prieaugio. Kad branduolių sąlajos reakcija būtų praktiškai naudinga, energija, paimta iš elektros tinklo, paversta lazerio spinduliais ir paleista į reaktoriaus šerdį, turėtų būti gerokai mažesnė už energiją, išsiskiriančią iš plazmos.
Tačiau naujasis plazmos uždegimo etapas atsižvelgia tik į „įeinančią“ lazerio energiją ir „išeinančią“ plazmos energiją – o ne į didelius energijos nuostolius, patiriamus elektros energiją paverčiant šviesa.
Be to, reakcija vyksta mažytėje kuro granulėje, esančioje didžiausio pasaulyje lazerio viduje, trunka tik kelias milijardines sekundės dalis ir gali būti kartojama tik kas šešias valandas. Dėl to reakcija praktiniams tikslams yra pernelyg neefektyvi.
„Grynosios energijos prieaugis yra reikšmingas etapas, tačiau, žvelgiant iš perspektyvos, tai reiškia, kad branduolių sąlaja dabar yra ten, kur prieš aštuoniasdešimt metų buvo branduolių dalijimosi energetika, – sako fizikas, Griffitho universiteto (Australija) profesorius emeritas Ianas Lowe'as. – Didžiulė techninė problema – išlaikyti kelių milijonų laipsnių temperatūros plazmos masę, kad vyktų sintezė, ir kartu išgauti pakankamai šilumos, kad būtų galima gauti naudingos energijos. Vis dar nemačiau patikimos branduolių sintezės reaktoriaus schemos, kurioje būtų pasiektas šis tikslas“.
Kaip veikia branduolių sintezės reaktoriai
Esamus branduolių sintezės reaktorius galima suskirstyti į dvi dideles kategorijas: inercinio sulaikymo reaktorius – tokius kaip NIF – kuriuose karšta plazma sulaikoma lazeriais arba dalelių pluoštais – ir magnetinio sulaikymo reaktorius, tokius kaip Jungtinėje Karalystėje esantis Jungtinis Europos toras (JET), būsimasis Europos tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (ITER) ir Kinijos eksperimentinis pažangusis superlaidusis tokamakas (EAST), kuriuose plazma stipriais magnetiniais laukais formuojama į įvairias torų formas. ITER įrenginyje degančią plazmą sulaikantis laukas bus 280 000 kartų stipresnis nei aplink Žemę esantis magnetinis laukas.
Skirtingi reaktorių tipai atspindi skirtingas strategijas, kaip įveikti milžiniškas technines termobranduolinės sintezės kliūtis. Magnetinio sulaikymo reaktoriuose, vadinamuosiuose tokamakuose, siekiama, kad plazma nepertraukiamai degtų ilgą laiką (ITER tikslas – tai daryti iki 400 sekundžių). Tačiau, nepaisant to, kad vis labiau artėjama prie šio tikslo, tokamakams iš plazmos dar nepavyko sukurti grynosios energijos.
Kita vertus, inercinio sulaikymo sistemos – pavyzdžiui, NIF reaktorius – generuoja energijos pliūpsnius greitai degindamos vieną mažą kuro fragmentą po kito. Tačiau šis kuras yra atskirų granulių pavidalu, ir mokslininkai dar neišsiaiškino, kaip jas pakeisti pakankamai greitai, kad reakcija vyktų ilgiau nei sekundės dalį.
„Tai labai, labai sudėtinga, nes tai reikštų, kad kitą granulę reikia „paduoti“ per tą laiką, kai [plazmos] debesis plečiasi, – sako Šveicarijos Lozanos federalinės politechnikos mokyklos (École polytechnique fédérale de Lausanne, Šveicarija) Plazmos centro direktoriaus pavaduotojas Yvesas Martinas. – Paprastai šios granulės skersmuo būna vienas milimetras ir ji turi būti patalpinta devynių metrų skersmens patalpoje. Kiek žinau, [reakcijos paleidimas] vis dar kainuoja keliasdešimt tūkstančių dolerių. Kad būtų efektyvu, kaina turėtų sumažėti iki vieno dolerio ar net mažiau“.
Labai brangus izotopas
Kita branduolių sintezės reaktorių problema – mažėjančios tričio (pagrindinio izotopo, kuris kartu su deuteriu naudojamas kaip kuras reakcijai) atsargos. Kadaise buvusio įprasto ir nepageidaujamo branduolinių ginklų bandymų atvirame ore ir branduolių dalijimosi (kai atomai skyla, o ne jungiasi, ir susidaro daug daugiau radioaktyviųjų atliekų) šalutiniu produktu, tričio pusėjimo trukmė – 12,3 metų – kas reiškia, kad didžioji jo atsargų dalis jau yra netinkama naudoti, todėl jis yra viena brangiausių medžiagų Žemėje – 30 000 JAV dolerių už gramą.
Fizikai pasiūlė kitus tričio gamybos būdus – pavyzdžiui, „auginti“ jį branduoliniuose reaktoriuose, kurie gaudo klaidžiojančius neutronus. Tačiau, be kai kurių mažesnio masto eksperimentų, dėl sparčiai augančių išlaidų teko atsisakyti planų išbandyti tričio „auginimą“ ITER reaktoriuje.
Branduolių sintezės tyrėjai mano, kad jei bus sukaupta politinė valia ir išspręsti inžineriniai uždaviniai, pirmieji perspektyvūs branduolių sintezės reaktoriai galėtų pradėti veikti jau 2040 m. Tačiau tai vis dar dešimčia metų per vėlu, kad iki 2030 m. pasaulinis atšilimas neviršytų 1,5 laipsnio pagal Celsijų.
„Sprendimus priimantys asmenys trokšta švarios energijos, gaunamos iš gausių išteklių, šventojo Gralio, – sako I.Lowe'as. – Išleidę milijardus branduolių sintezės tyrimams, jie labai nenori jų atsisakyti, kaip ir dešimtmečius puoselėjo fantaziją apie branduolių „veisimo“ reaktorių (branduolių dalijimosi reaktorių, kuris pagamina daugiau energijos, nei jos sunaudoja).
Vis dėlto pastaraisiais metais branduolių sintezės technologija nuolat tobulinama. Tarp laimėjimų – sėkmingas dirbtinio intelekto bandymas valdyti plazmą tokamake, daugybė rekordų, pasiektų atliekant daugybę eksperimentų, susijusių su energijos gamyba, plazmos degimo laiku ir reaktoriaus temperatūra, taip pat perrašyta pamatinė taisyklė, kuri gali padėti būsimiems reaktoriams gaminti dvigubai daugiau energijos. Atsižvelgdami į šiuos pasiekimus, branduolių sintezės mokslininkai tvirtina, kad ilgalaikiam klimato krizės sprendimui būtinos kelios strategijos ir kad branduolių sintezė taps svarbia būsimos energijos sistemos, kurioje nebus išmetama anglies dioksido, sudedamąja dalimi.
„Jei norėtume pasikliauti vien tik atsinaujinančiaisiais energijos šaltiniais, mums reikėtų įrenginių pertekliaus, kad turėtume tokį energijos kiekį, kokio paprastai prireikia žiemą arba tuo laikotarpiu, kai nėra vėjo. Mums reikia kažko, kas būtų bazinis lygis, kuris gamintų būtent tai, ko reikia, – teigia Y.Martinas. – Ant savo stogo nestatysiu kelių saulės baterijų ne dėl to, kad pasitikiu termobranduoline sinteze. Tam tikra prasme mums tikrai reikia naudoti viską, kas yra geriau už iškastinį kurą“.
Parengta pagal „Live Science“.
