Branduolių sintezė: ar stelaratorius gali išlaisvinti galią?  (6)

50 me­tų sten­gia­mės įkin­ky­ti pro­ce­są, tie­kian­tį ener­gi­ją žvaigž­dėms, ta­čiau pa­sie­ki­mai kuk­lūs. At­sa­ky­mą ga­li su­teik­ti nau­jas ma­žes­nis, bet ga­lin­ges­nis reak­to­rius

Žiema Vokietijos šiaurės rytų lygumose rūsti. Šiandien nuo Baltijos jūros pučia kiaurai veriantis vėjas, ir žmonės ausis slepia po vilnonėmis kepurėmis. Bet oras švyti, ir skruostus kutena šiluma. Saulėta. Degantis dujų kamuolys už 150 milijonų kilometrų daro savo darbą.

Labai norėtųsi šią trykštančią galią išgauti kiek arčiau namų. Termobranduolinės sintezės saules maitinančio proceso įvaldymas reikštų praktiškai beribę energiją be iškastinio kuro naudojimo – šylančiam pasauliui tai būtų ne smulkmena. Bėda tik, kad šią svajonė vaikomės jau penkis dešimtmečius ar ilgiau. Tai visada atrodė kaip tikslas, nuolat esantis už penkių dešimtmečių. Mūsų technologijomis paprasčiausiai neįmanoma patikimai valdyti žvaigždžių.

Ši saulėta gruodžio diena Baltijos jūros Vokietijos pakrantėje gali žymėti svarbų žingsnį, galintį tai iš esmės pakeisti. Visų dėmesys nukrypo į Wendelstein 7-X stelaratorių – mašiną, kurią galima pavadinti galingiausia pasaulyje mikrobangų krosnele, ir gal dar jos energijos tiekimo ateitimi.

Maxo Plancko plazmos fizikos institute Greifswaldo pakraštyje esantis Wendelstein 7-X nėra didžiausias, daugiausiai pasiekęs ar geriausiai finansuojamas bandymas sukurti termobranduolinės sintezės (TBS) reaktorių. Šios liaupsės priklauso Tarptautiniam eksperimentiniam termobranduoliniam reaktoriui (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) statomam Prancūzijos pietuose. Tačiau ITER nuolat priekaištaujama dėl vėlavimų, lėšų pereikvojimo ir netgi abejojama, ar tai tinkamas dizainas tokiai užduočiai. Naujai sužydėjo alternatyvūs TBS projektai, iš kurių didžiausias, Wendelstein 7-X, suteikia konkurenciją. Ar gali jie pagaliau įžiebti sėkmę?

Nesunku suprasti branduolių sintezės „kodėl?“. Saulės kasmet Žemei spinduliuojamos energijos kiekis smarkiai viršija visus žinomus ir numanomus iškastinio kuro išteklius Žemėje. Tačiau „kaip?“ visad buvo kiek problematiškesnis – ir ne veltui. „Tikrąsias priežastis, kodėl Saulė kasdien šviečia, žmonės sužinojo tik maždaug prieš 70 metų," sako fizikas Robertas Wolfas iš Griefswaldo instituto.

Dabar pagrindus žinome. Didžiąją tokių žvaigždžių kaip Saulė, masės dalį sudaro vandenilio dujos, kurios jungiasi į helį ir šis atominis persitvarkymas išlaisvina daugybę energijos. Pirmasis valdomos TBS sunkumas kyla dėl to, kad vandenilio atomai nepageidauja jungtis. Saulėje jie įtikinėjami 15 milijonų °C temperatūra ir slėgiu, daugiau nei 100 milijardų kartų didesniu už esantį Žemės paviršiuje.

Tokios sąlygų kombinacijos Žemėje atkartoti vilčių nėra – tad nė nebandome. Vandenilis turi du sunkesnius, labiau linkusius jungtis, izotopus – deuterį ir tritį. Šie į helį jungiasi vos porą kartų didesniame už atmosferos slėgį, ir iš vieno gramo deuterio – tričio kuro gaunama tiek karščio, kaip sudeginus daugiau, nei 10 tonų anglių. Tik yra kabliukas – reakcijai reikia dar didesnio karščio: ~100 milijonų °C.

Tokiose svilinančiose temperatūrose deuteris ir tritis egzistuoja jau nebe kaip atomai, o kaip jonizuota, atomų branduolių be elektronų plazma.

Jokia reaktoriaus medžiaga tokio plazmos karščio neatlaikytų, tad ją įkalinti reikia kitais būdais. Tam dažniausiai naudojami magnetiniai laukai, nors yra bandyti ir kiti metodai(žr. „Inercijos varomi“). Elektringos dalelės juda išilgai magnetinio lauko linijų, tad apgaubus plazmą tinkama magnetinio lauko forma, galima daleles išlaikyti – neleisti joms pasprukti ir išlydyti reaktoriaus šonų – bent jau teorijoje. Praktikoje srovės plazmoje sukuria nuosavą magnetinį lauką, dėl to plazma tampa itin nestabili. Plazmos sukūrimas, atskyrimas ir jos išlaikymas, kad prasidėtų branduolių sintezė ir buvo pagrindinis TBS klausimas pastaruosius 50 metų.

ITER – lotyniškai ši santrumpa reiškia „kelias“ – turėtų parodyti kelią pirmyn. Tai bendras 35 šalių atsakas, kurios tikisi padaryti TBS komerciškai patrauklia per ateinančius 20 metų. Parengiamieji projekto darbai prasidėjo 1998 metais, nuo 15 aukštų pastato aukščio ir angaro dydžio reaktoriaus statinio Saint-Paul-lès-Durance Provance 2010.

ITER turėjo pirmtaką, Joint European Torus – JET, tebeveikiantį Culham sintezės energijos centre šalia Oxfordo, JK. JET, pradėtas 1983, gali išlaikyti stabilią plazmą vieną sekundę, pakankamai sintezės pradėjimui, tačiau ne „lygiosioms“ – esminiam taškui, kai išgaunama daugiau energijos, nei sunaudojama reaktoriau užkūrimui. ITER planuojama išlaikyti TBS sąlygas minutę, ir išgauti 10 kartų daugiau energijos, nei sunaudota. Jei viskas vyks be trikdžių, dar didesnis reaktorius, DEMO, ketvirtajame dešimtmetyje pradės gaminti elektrą.

Tačiau trikdžių neišvengta. 2008 metais pirmąją plazmą ITER planuota gauti 2017 m. Iki 2010 metų ši data nusikėlė į 2020 m. Dabar vargu ar tai nutiks iki 2025, teigiamas energijos balansas bus pasiektas dar po kelių metų, sako Stevenas Cowley'is, JET direktorius ir ITER bendradarbiavimo narys. Naujausiame ITER valdybos posėdyje pernai lapkritį bet kokie pranešimai apie pažangą atidėti iki šių metų birželio. Tuo tarpu projekto kaštai išaugo nuo 5 milijardų dolerių iki >21 milijardo.

Garsėja nepasitenkinimo balsai. Tiek JK parlamento, tiek ir JAV Kongreso komitetai ėmė kelti klausimą, ar TBS tyrimai verti į juos dedamų lėšų. Tuo tarpu su ITER bendradarbiaujanti Kinija, kuo toliau, tuo labiau atrodo ketinanti atlikti tai viena, ir planuoja iki 2030 m. pastatyti savo eksperimentinį TBS reaktorių.

Didžiuliai riestainiai

Wendelstein 7-X ketina pasiūlyti alternatyvų kelią. ITER ir JET yra tokamakai, įrenginiai, išlaikantys plazmą riestainio formos inde, juosiamame gigantiškų superšaltų ir superlaidžių magnetų. Tuo tarpu Wendelstein 7-X yra stelaratorius – iš esmės, yra riestainio formos įrenginys apsuptas superšaltais ir superlaidžiais magnetais.

„Plazmos įkaitinimui iki 1 mln °C pri­rei­kė 2000 mik­ro­ban­gų kros­ne­lių ek­vi­va­len­to“

Tačiau yra esminis skirtumas. Kad plazma būtų išlaikoma stabili, magnetiniai laukai tokamake turi būti kuriami išorėje ir viduje, stelaratoriuje tiek reaktoriaus riestainis, tiek ir supantys magnetiniai laukai yra sudėtingos asimetrinės formos, užtikrinančios, kad kiekviena dalelė, kur ji bebūtų plazmoje, būtų veikiama tokios pat jėgos (see diagram). Bent jau reaktoriaus simuliacijoje superkompiuteriu, taip galima išlaikyti nuolatinį, stabilų veikimą neribotą laiką – komerciniam naudojimui tai puiki savybė. „Stelaratoriaus pranašumas yra tas, kad kartą jį įjungus, jis ir veikia," dėsto Remmeltas Haange iš ITER, dirbęs tiek su šiuo reaktoriumi, tiek ir su Wendelstein 7-X įtaisu.

Maždaug dešimtadalį sekundės trukęs šviesos žybsnis gruodžio 10 dieną buvo pirmoji užuomina, kad tai gali iš tiesų veikti, kai helio plazma buvo įšvirkšta į Wendelstein prietaisą ir įkaitinta iki 1 milijono °C, naudojant beprecedentį 2 000 mikrobangų krosnelių ekvivalentą. Laukiant tolesnių testų rezultatų per ateinančias kelias savaites, planuojama pirmą vandenilio plazmą įžiebti per ceremoniją vasario 3 dieną.

Per kitus kelis metus planuojama išlaikyti stabilias sintezės sąlygas maždaug pusvalandį. Jei tai pavyks, kitas, didesnis, agregatas gamins 3 gigavatus šiluminės energijos, ir maždaug 1 gigavatą elektros – maždaug tiek pat, kiek vidutinė anglimi kūrenama jėgainė.

Kaip jau įprasta su TBS tyrimais, tai ilga ir lėta kelionė – bet Thomas Sunn Pedersen iš Wendelstein 7-X komandos įsitikinę, jog stelaratorius yra geriausias būdas vykdyti TBS. „Asmeniškai manau, kad tikimybė didelė, todėl čia ir dirbu,“ sako jis. „Bet dar toli gražu negalime parodyti, jog tai daugiau nei tikėjimas.“

Įrodymus viliamasi pateikti iki trečiojo dešimtmečio vidurio, maždaug tada, kai turėtų būti įjungtas ITER. „Laikas sutampa gan gerai,“ sako Wolfas. „Jei ITER tada pagamins daugiau energijos nei sunaudos, žinosime, kaip tęsti.“ Davidsd Campbellsd iš ITER mano, kad jeigu viskas pasistūmės taip toli, apsispręsti bus nelengva. „Tai nėra paprasta dvikova. Teks balansuoti stelaratoriaus fizikinius pranašumus su tokamako inžineriniais pranašumais,“ sako jis.

Bet ITER ir Wendelstein 7-X tėra pakopos link komercinio TBS reaktoriaus, atsiperkanti TBS tebėra dešimtmečių perspektyva. Ar gali būti greitesnis kelias?

Dennisas Whyte'as iš MIT plazmos mokslo ir sintezės centro mano, kad taip. „Mokslinė branduolių sintezės bendruomenė tikrai nori, kad ITER pasisektų, bet per protingą laiką,“ sako jis. Sutelkęs dėmesį į tą „protingumą“, 2014 metais Whyte'as su kolegomis pasiūlė „mažesnį ir greitesnį“, dešimtadalio ITER dydžio tokamaką, kuris, jų teigimu, „lygiąsias“ pasiektų anksčiau. Paslaptis – pažanga, nuo ITER ir Wendelstein pradėjimo laiko padaryta superlaidininkų srityje. ITER reikia didžiausios pasaulyje skysto helio gamyklos jos supelaidžių magnetų, pagamintų iš niobio ir alavo lydinio, šaldymui. Whyte'o ARC įrenginyje – žodžių „affordable, robust, compact“ trumpinys – magnetinėms vijoms bus panaudoti nauji, komerciškai prieinami aukštos temperatūros superlaidininkai, pagaminti iš bario ir vario oksidų su retųjų žemių elementų priedais. Jų aušinimui pakaks daug pigesnio skysto azoto.

Visais kitais atžvilgiais tai bus iš esmės ta pati išbandyta ir pasiteisinusi technologija. „Fundamentaliuose plazmos išlaikymo ir stabilumo moksluose dviračio neišradinėjame,“ sako Whyte'as. Kaip bebūtų, Whyte'o vertinimu, pirmojo įrenginio, galinčio gaminti 200 MW elektros srovę, kūrimas atsieis apie 5 milijardus dolerių ir galėtų bbūti pastatytas per 5 metus.

Taip mąsto ne viena Whyte'as. Tokamak Energy yra verslo kompanija, naudojanti Culham Centre pradėtą technologiją, ir planuoja panaudoti naujus superlaidininkus, statydama sferinį tokamaką. Savo koncepcija panašus į ARC, šis dizainas suminko įprastą tokamako riestainio geometriją į sferą su siaura skyle viduryje, formą, primenančią obuolį su išimtu sėklalizdžiu. Taip siekiama pagaminti 180 MW reaktorių, kuris būtų pakankamai mažas, kad tilptų svetainėje, sako kompanijos atstovas Davidas Kinghamas. „Planuojame pasiekti teigiamą TBS energijos balansą per penkerius metus, pirmąją elektrą per 10 metų ir komerciškai naudoti pradėti per 15 metų," sako jis – bendri kaštai turėtų būti ~2 mlrd svarų.

Kiti nėra tokie užtikrinti, kad šie „mažosios sintezės“ projektai bus sėkmingi. Campbellas primena, kad ITER pasirinktų superlaidininkų tobulinimas, kad iš jų būtų galima pagaminti dideliu, aukštos kokybės magnetus, truko beveik 20 metų. Peras Helanderis, Wendelstein 7-X teorijos vadovas, nerimauja, kad bet kuriame ženkliai mažesniame įrenginyje bus daug didesni karščio srautai, nei ITER ar Wendelstein 7-X, kur jau dabar jie sudaro penktadalį saulės paviršiaus spinduliavimo. „Manau, tai įmanoma padaryti, tačiau tai viską komplikuoja,“ svarsto jis. „Esu nusiteikęs veikiau jau skeptiškai, tačiau manau, jog gerai, kad šie projektai egzistuoja.“

Bendras požiūris yra, kad tokiai sudėtingai problemai, kaip TBS – ir kuri potencialiai gali suteikti tokį didelį atlygį – didesnė konkurencija tik į naudą. Žinoma, Haange linki Wendelstein 7-X sėkmės. „Mašina atrodo fantastiškai, malonu regėti ją veikiančią,“ sako jis. „Tai kaip dyzeliniai ir benzininiai varikliai – jų principai skirtingi, bet galiausiai naudinga turėti juos abu.“ Gal pagaliau branduolių sintezės lenktynės įsižiebs.

Neminėkit šaltosios sintezės

Toli toli nuo tradicinės branduolių sintezės galaktikos, maža, bet ryžtinga maištininkų grupė tebėra pasišventusi šaltosios sintezės erezijai. Idėja, kad branduolių sintezės reakcijų vykimai didžiulių temperatūrų ar milžiniškų aparatų nereikia, nesiremia kokia nors pripažinta teorija, ir jos reputaciją sugadino XX amžiaus devintame dešimtmetyje pateikti nepatvirtinti ir neatkartojami teiginiai. Bet pervadinta „mažos energijos branduolinėmis reakcijomis (low energy nuclear reactions – LENR), ji tebegyvuoja.

Ko gero garsiausias maištininkas yra italų inžinierius Andrea Rossi, teigiantis, kad naudoja savo „E-Cat“ šaltosios sintezės reaktorius, kūrenamus nikelio milteliais ir vandeniliu, nuo 2011. Bendradarbiaudamas su JAV kompanija Industrial Heat, Rossi teigia naudojantis 1 MW reaktorių karščio gamybai slaptam klientui JAV vienų metų bandymams. Rusų mokslininkas Aleksandras Parkchomovas ir kiti, jų teigimu, atbulinės inžinerijos būdu atkūrė E-Cat vykstančią nikelio ir vandenilio reakciją ir iš nežinomo reakcijos gavo daugiau šilumos, nei galėtų išskirti kokie nors cheminiai procesai.

Rossi neseniai suteiktas JAV patentas E-Cat technologijai, ir Japonijos vyriausybė atnaujino LENR tyrimų finansavimą, tikriausiai dėl Toyota ir Mitsubishi darbų. Nedaug tyrėjų pasitiki rezultatais, bet jie patraukė rimtų pramonės veikėjų dėmesį ir už Japonijos ribų. Airbus yra viena iš kelių, išreiškusių susidomėjimą per viešas demonstracijas, vykusias praėjusį spalį žemos energijos branduolinių reakcijų konferencijoje Toulouse, Prancūzijoje.

Inercijos varomi

Magnetiniai laukai gerai išlaiko pragariškai karštą plazmą, naudojamą termobranduolinėje sintezėje (žr. pagrindinį pasakojimą) – bet nelabai gerai. Sintezės reakcijose išsiskiriantys krūvio neturintys neutronai pabėga ir atakuoja arčiausiai reakcijos esančią „pirmąją sieną“, tad ją dėl radiacijos sukeltų pažeidimų tenka reguliariai keisti. ITER, kol kas didžiausio termobranduolinės sintezės eksperimentų reaktoriaus, statomo Prancūzijos pietuose, reaktoriaus vidus bus išklotas 440 keičiamų keičiamų skydelių, sveriančių po 4 tonas, ir sudėtinga robotizuota jų tvarkymo sistema.

Inercinis sulaikymas yra kitoks. Jame kuro granulės apšviečiamos didelės galios lazeriais, gauta plazma suspaudžiama ir įkaitinama taip sparčiai, kad sintezės reakcija įvyksta dar prieš jai išsilakstant. Šį metodą naudoja JAV National Ignition Facility Livermore, Kalifornijoje, pradėjusi veiklą 2009 metai. Pagrindinis jos tikslas – išsiaiškinti, kas vyksta branduoliniuose ginkluose, o ne energijos gamyba, bet kiti perėmė principą ir tikisi panaudoti komerciniais tikslais.

Kanados kompanija General Fusion stengiasi apjungti magnetinį ir inercinį sulaikymą. Planuojama sukti tuščiavidurę skysto metalo – išlydyto švino ir ličio mišinį – sferą ir taip sukurti atsistatančią tuštumą. Tada ji staigiai suspaudžiama, paleisdama du besisukančios plazmos rutuliu susidurti. Firma iš investuotojų neseniai surinko 23 milijonus dolerių kitos bandymų stadijos finansavimui. Panašus hibridinis būdas Sandia National Laboratories, taip pat Livermore, neseniai gavo 4 milijonus dolerių iš JAV energijos departamento.

David Hambling
New Scientist № 3058

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(60)
(0)
(60)

Komentarai (6)