„Nėra kitos išeities, nes iškastinio kuro ištekliai sparčiai mažėja. Be to, prisimename, kad spalio pradžioje buvo šalčiai, tačiau, kai tik prasidėjo šildymo sezonas, orai atšilo. Žmogaus poveikis gamtai akivaizdus“, – LRT RADIJUI sakė mokslininkė.
Žvaigždės – natūralios termobranduolinės jėgainės
Kaip išgauti pigią, veiksmingą, galingą, švarią ir nepavojingą energiją, kuria būtų nesunkiai aprūpinami milijardai? Atsakymas visada buvo čia pat, vos pakėlus galvą į dangų.
Saulė ir visos kitos žvaigždės – tai natūralios termobranduolinės jėgainės. Jose susijungia vandenilio atomų branduoliai ir virsta sunkesniais helio atomo branduoliais. Šis procesas išskiria labai daug energijos ir šilumos – dėl to Saulė šviečia ir dažną Žemės gyventoją maloniai šildo. Dabar pasaulio mokslininkai ir verslininkai užsimoję pagaminti žvaigždę Žemėje.
„Branduoliai turi krūvį. Norint juos suartinti iki atstumo, kai pradeda veikti stipriosios branduolinės sąveikos, reikia nugalėti tų branduolių elektrostatinį pasipriešinimą. Vienas iš būdų – branduolius pakaitinti (taip ir atsirado termobranduolinės sintezės pavadinimas)“, – aiškina Alicija Kupliauskienė, Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto Atomo teorijos skyriaus vyriausioji mokslo darbuotoja.
Jei pavyktų įvaldyti termobranduolinę reakciją, žmonija turėtų neribotą ir nepavojingą energijos šaltinį. Mokslo žurnalisto ir rašytojo Danielio Clery teigimu, užtektų paprastos nešiojamojo kompiuterio ličio baterijos ir 45 litrų vandens, kad vienas vidutinis Jungtinės Karalystės vartotojas galėtų apsirūpinti elektra 30 metų. Taigi galima suprasti, kodėl visame pasaulyje daugėja didesnių ir mažesnių eksperimentinių termobranduolinių reaktorių, kuriuos statosi valstybės, privačios įmonės ar universitetai.
Įrenginys panašus į riestainį
Šio bumo ištakos siekia 1968 m., kai Sovietų Sąjungos mokslininkai Novosibirske sukūrė ir išbandė pirmuosius bandomuosius termobranduolinius reaktorius – tokamakus. Šis žodis – tai akronimas, gautas paėmus pirmąsias raides iš termino „Toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami“ (toroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis). „Įrenginys panašus į riestainį, apie kurio vidurį turėtų judėti dalelės. Elektringas daleles galime išlaikyti stipriuose magnetiniuose laukuose“, – sako A.Kupliauskienė.
Pagal tokamako modelį vėliau sukurtos ir beveik visos kitos bandomosios jėgainės. Šiuo metu didžiausia jų veikia Didžiojoje Britanijoje, yra maždaug keturių aukštų namo dydžio ir vadinasi JET – Jungtinis Europos toras.
JET ir visi kiti „riestainiai“ yra eksperimentiniai, nepritaikyti pramoniniam naudojimui, nes dar negeba tinkamai suvaldyti viduje skriejančių dalelių.
Reikia pasiutusiai didelio karščio
Kaip veikia tokamakai? Palyginkime juos su atominėmis jėgainėmis – jose stambesni atomai skyla į smulkesnius. O branduolinė sintezė yra atvirkščias procesas – du mažesni atomai susijungia ir tampa vienu didesniu. Šitaip išsiskiria energija, 10 kartų didesnė už tą, kurią gauname atomui skilus. Žemėje šiai sintezei naudojamos vandenilio elemento atmainos – atomo izotopai deuteris ir tritis.
Ir čia prasideda sunkumai. Žinia, atomai nelinkę jungtis – jie, kaip magnetai, stumia vienas kitą, kai tik priartėja. Bet yra išeitis – tokamake atomai paleidžiami skrieti 1 mln. km/h greičiu – juos taip suka ir krato, kad nuo atomų „nukimba“ elektronai, skrieja atskirai atitrūkę, o be jų likę atomų branduoliai lieka nuogi. Visas šis įdomus dalelių debesis vadinamas plazma. Ir toje plazmoje yra tikimybė, kad branduoliai susidurs ir susilies.
Tačiau to neužtenka – reikia ir pasiutusiai didelio karščio. Įsivaizduokime: Saulės branduolyje yra 17 mln. °C, o Žemės sąlygomis atomus reikėtų paskrudinti iki 100 mln. °C. Kol kas tokio karščio nėra pavykę išgauti. Be to, kyla dar viena problema – kaip tokiame greityje ir karštyje išlaikyti plazmos stabilumą? Toji dalelių sriuba labai keista – ji nei kieto, nei skysto, nei dujinio pavidalo. Menkiausia klaida, ir jos stabilumas dings, o energijos nebus išgauta. Ką daryti?
Pasak mokslininkės A.Kupliauskienės, šis klausimas sprendžiamas, bet plazmos stabilumui užtikrinti jau naudojami magnetai: „To „riestainio“ tokamako centre, toje skylėje, įtaisomas stiprus magnetas, kurio linijos apgaubia „riestainį“. Bet to nepakanka – dar reikia daleles priversti judėti apskritimu, kam naudojamas poloidinis magnetinis laukas. Tokamake pačia judančia plazma praleidžiama elektros srovė, ir tada dalelės laikomos centre. Kuo stipresnė srovė teka, tuo didesnis elektronų greitis, tuo aukštesnė temperatūra pasiekiama.“
ITER kainuos 19 mlrd. eurų
Dar viena didžiulė problema – iki šiol termobranduolinėms reakcijoms mokslininkai sunaudodavo daugiau energijos, negu pavykdavo išgauti iš tokamakų. Kitaip sakant, vyksta nelygūs mainai – duodi 100 eurų, o tau – tik 10.
A. Kupliauskienė pasakoja apie naują, dar didesnę jėgainę, kuri iki 2027 m. turėtų būti pastatyta Pietų Prancūzijoje. Visas įrenginys užimtų 40 ha. Šis projektas vadinamas Tarptautiniu termobranduoliniu eksperimentiniu reaktoriumi, arba ITER. Išvertus iš lotynų kalbos, šis žodis reiškia „kelią“. Jėgainė iš viso kainuos 19 mlrd. eurų (keturiskart brangiau už didįjį dalelių greitintuvą).
Tikimasi, kad ITER jėgainėje termobranduolinė sintezė galės išsilaikyti ne sekundėmis, bet dešimt minučių, kas jau būtų daug. Tai – jungtinis projektas, kuriame dalyvauja Europos Sąjunga, JAV, Rusija, Kinija, Indija, Japonija ir Pietų Korėja. Tai dar ne viskas: po ITER eksperimentinio reaktoriaus šios šalys žada pastatyti dar didesnę DEMO jėgainę, o iki 2050 m. ir PROTO – pirmąjį komercinį termobranduolinį reaktorių, kuris jau tiektų elektros energiją į mūsų namus.
Energija būtų pigi ir visiškai nepavojinga
Lietuva taip pat prisideda prie šių ambicingų tikslų. Vilniaus universiteto ir Lietuvos energetikos instituto mokslininkai yra konsorciumo „EuroFusion“ nariai. A.Kupliauskienė su kolegomis padeda mokslininkams, dirbantiems su JET įrenginiu.
Taigi – entuziastai energetikoje laukia tikros revoliucijos. Teigiama, kad visu pajėgumu veikiančios termobranduolinės jėgainės tiektų nepaprastai daug energijos, kuri būtų pigi ir visiškai nepavojinga. Jei reaktoriuje įvyktų klaida, jis ne išsilydytų, kaip atominėje elektrinėje, bet tiesiog sustotų. Jokios taršos ar radiacijos, o tokios jėgainės išskirtų tik helį – elementą, kuris yra dažnas ir nepavojingas.
Tik lieka jau minėti trys pagrindiniai iššūkiai – kaip išgauti didesnį karštį, skriejančių dalelių stabilumą ir didesnį energijos kiekį. Pasak A.Kupliauskienės, dabar tam – pats laikas. „Nėra kitos išeities, reikia ieškoti būdų, kurie pakeistų iškastinį kurą, nes iškastinio kuro ištekliai sparčiai mažėja. Be to, prisimename, kad spalio pradžioje buvo šalčiai, tačiau, kai tik prasidėjo šildymo sezonas, orai atšilo. Žmogaus poveikis gamtai akivaizdus. Aš iškart pasakiau: prasidės šildymo sezonas – atšils. Žmonės tai pastebi, bet nepagalvoja, kad jie patys keičia klimatą“, – kalba mokslininkė.
