Tuo metu, kai Lietuvoje vyksta intensyvūs ir pusiau slapti naujos atominės elektrinės kūrimo darbai, pasaulyje intensyviai dirbama kuriant naujos rūšies energijos šaltinius. Atominių reaktoriuose naudojama sunkiųjų cheminių elementų branduolių skilimo energija, o termobranduoliniame reaktoriuje yra bandoma panaudoti lengvųjų elementų branduolių sintezės metu išsiskiriančią energiją. Tokia reakcija jau keli milijardai metų vyksta Saulėje, todėl šiuos eksperimentus galima laikyti dirbtinės Saulės sukūrimo Žemėje darbais.

Šių metų lapkričio mėnesį nutiko du svarbūs įvykiai termobranduolinės energijos įsisavinimo epopėjoje. Louurenso vardo nacionalinėje Livermoro laboratorijoje JAV ( Lawrence Livermore National laboratory) buvo atliktas pirmasis 192 ultravioletinių lazerių vienalaikis 1,3 megadžaulių energijos šūvis į taikinį, kuriame buvo būsimo termobranduolinio kuro – deuterio ir tričio mišinio – imitacija. Mokslininkai įsitikino šūvio efektyvumu ir patvirtino pagrindines tokio taikinio hidrodinamines charakteristikas, kurios reikalingos gauti reikiamą slėgį ir temperatūrą taikinyje. Įrenginys NIF (National ignition facility – Nacionalinis uždegimo įrenginys) pradėtas kurti prieš daugiau kaip 10 metų ir yra vienas iš galimų valdomos termobranduolinės sintezės reaktorių variantų.

Beveik tuo pat metu tarptautinis susivienijimas ITER (International thermonuclear experimental reactor – tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius), kurį įsteigė Europos Sąjunga, Indija, Japonija, JAV, Kinija, Pietų Korėja ir Rusija, pranešė, kad pasirašytas kontraktas su italų konsorciumu AMW (Ansaldo Nucleare, Mangiarotti and Walter Tosto) dėl pagrindinio ITER elemento – toroidinės (riestainio formos) kameros – gamybos. AMW konsorciumas įsipareigoja per šešerius metus pagaminti septynis toroidinės kameros segmentus, kiekvieno iš kurių aukštis yra 13 metrų, o plotis – 6,5 metro. Dar bus du tokie panašūs segmentai, kuriuos pagamins korėjiečiai. Kai toroidas bus sumontuotas, tai bendras kameros svoris viršys 5 tūkstančių tonų. Kaip žinoma, šis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius yra statomas Kadaraše (Cadarache), pietryčių Prancūzijoje.

Abiem atvejais kaip kuras yra naudojamas vandenilio izotopų deuterio ir tričio mišinys. Įkaitinus šį mišinį iki 100 milijonų laipsnių temperatūros prasideda termobranduolinės sintezės reakcija, kurios metu susijungus deuterio ir tričio branduoliui atsiranda vienas He-3 izotopo branduolys, vienas neutronas ir 17,6 megaelektonvoltų energijos (1 MeV=1,6·10-13 J). Tokio kuro Žemėje yra neišsenkami kiekiai, nes jis gali būti gaunamas iš paprasčiausio vandens. Tarp 6400 vandenilio atomų yra vienas deuterio atomas. Apskaičiuota, kad iš pusės litro vandens išgavus deuterį, jo termobranduolinės sintezės energija prilygsta vienos statinės benzino sudegimo energijai.

Branduolinių ginklų gamyboje jau senai yra naudojamas sunkusis vanduo, todėl deuterio gavyba nesudaro jokių problemų. Kiek sudėtingesnė problema yra kitas vandenilio izotopas – tritis, kuris yra nestabilus, nes turi skilimo pusamžį apie 4500 dienų (per tokį laiką jo kiekis sumažėja dvigubai, nes tričio branduolys suskyla išskirdamas deuterį, elektroną ir neutriną). Tritis yra gaunamas branduoliniuose reaktoriuose apšvitinant neutronais ličio-6 izotopą. Kadangi tritis naudojamas kaip neutronų šaltinis atominėse bombose, tai ir jo gamyba yra gerai įsisavinta. ITER projekte numatoma gauti tritį naudojant Li-6 izotopą, patalpintą pačiame įrenginyje.

Akivaizdu, kad šimtų milijonų laipsnių temperatūroje egzistuoja tik jonų ir elektronų plazma, kurią išlaikyti yra labai sunkus uždavinys. Pirmu atveju, kai lazerio spindulys, veikdamas taikinį, jį išgarina, tai dėl susidariusių reaktyvinių jėgų didžiulė temperatūra ir slėgis jame atsiranda tik per milijardinės sekundės dalį, kurios metu ir išsiskiria visa energija. Toks įrenginys turėtų veikti periodiškai įvedant į kamerą kelių miligramų kapsulę su deuterio ir tričio mišiniu ir ją apšaudant iš visų pusių lazerio spinduliais. Antruoju atveju įkaitinta plazma turi būti palaikoma bent kelis šimtus sekundžių. Tam ji turi būti izoliuojama nuo kameros sienelių. Tai padaroma panaudojus labai stiprų magnetinį lauką, kuris veikia kartu su kitu magnetiniu lauku, sukurtu srovės, tekančios plazmoje. Šiuo atveju mišinys yra įkaitinamas elektriniais impulsais ir aukšto dažnio elektromagnetinėmis bangomis.

Iš karto, kai tik buvo sėkmingai išbandyta vandenilinė bomba, kurioje vyksta nevaldoma termobranduolinės sintezės reakcija, mokslininkai pradėjo galvoti kaip šį energijos šaltinį panaudoti taikiems tikslams – elektros energijos gamybai. Galima drąsiai sakyti, kad tai vienintelis pasaulyje projektas, kuris iš pradžių kėlė tokias gražias viltis, bet tikrovėje pasirodė beveik neįkandamas uždavinys. Buvo manoma, kad kaip ir atominių elektrinių atveju greitai pavyks uždegti termobranduolinę liepsną. Tačiau pasirodė, kad įkaitinti deuterio ir tričio mišinį iki tokios aukštos temperatūros, kurioje jis virsta branduolių ir elektronų plazma, ir gauti didelį šios plazmos tankį bei palaikyti jį ilgą laiką yra nepaprastai sunkus uždavinys. Čia galima prisiminti, kaip JAV dalyvavimo ITER projekte svarstymo Kongrese metu vienas įtakingas politikas pareiškė, kad šiam projektui jokiu būdu negalima skirti lėšų, nes jau beveik 40 metų šie fizikai vis prašo pinigų ir žada greitų rezultatų, bet tikrovėje paskirti pinigai dingsta tarsi juodojoje skylėje, nes išsprendus vieną problemą iškyla trys naujos.

ITER projekto likimas ilgai kabėjo ant plauko, nes šalys negalėjo susitarti dėl statybos vietos, o ir kaina nuo pradinės 6 milijardų JAV dolerių projekto pradžioje dabar jau pakilo iki 15 milijardų. Taigi ITER projektas tampa pačiu brangiausiu istorijoje eksperimentiniu įrenginiu, aplenkdamas garsųjį Didįjį Hadronų kolaiderį, kuris jau metus veikia netoli Ženevos. Pradiniame projekto variante buvo numatoma pradėti eksperimentus jau 2011 m., o dabar kalbama geriausiu atveju tik apie 2020-uosius. Projekto finansavime didžiausią indėlį įneša Europos Sąjunga – 45%, likusią dalį po lygiai (šiek tik daugiau kaip po 9%) sudaro kitų šešių šalių finansinės lėšos.

ITER įrenginio konstrukcijos idėją pirmą kartą iškėlė sovietų mokslininkai A. Sacharovas ir I. Tamas. Reaktoriaus širdis yra vadinamasis tokamakas (rus: TOrodalnaja KAmera s MAgnitnymy Katushkami – torodinė kamera su magnetinėmis ritėmis), kurio viduje palaikoma magnetinių laukų plūduriuoja įkaitintos plazmos čiurkšlė. Tokamako konkurentu iš pradžių buvo JAV mokslininko L. Spicerio (Lyman Spitzer) pasiūlytas stelaratorius, kuriame naudojamas vien tik išorinis magnetinis laukas, priverčiantis jonizuotas daleles judėti spiralėmis. Bet labai sudėtingos konfigūracijos magnetinio lauko sukūrimo problemos neleido šią idėją kiek plačiau išplėtoti. Dabar kai kurie mokslininkai gailisi, kad ši idėja nebuvo vystoma, nes šiuolaikinė kompiuterizuota magnetų valdymo sistema gal ir leistų ją praktiškai realizuoti. Pagrindinis stelaratoriaus pranašumas būtų tikrai nenutrūkstantis įrenginio veikimas, o ne darbas ilgais impulsais kaip tokamake.

Per pastaruosius 30 metų tokamakus įsirengė daug pasaulio šalių. Geriausius rezultatus gavo japonų mokslininkai, kurie pasiekė, kad įrenginio išskirta termobranduolinė energija 6% viršijo plazmos įkaitinimui panaudotą energiją. Tyrimai rodė, kad, norint padidinti šį santykį, būtina didinti tokamako matmenis, todėl prieš dvidešimt metų ir kilo idėja kurti didžiulį įrenginį panaudojant kelių valstybių finansinius ir žmogiškuosius išteklius. Pagal skaičiavimus statomas įrenginys turėtų generuoti apie 1 GW (gigavatą) termobranduolinės energijos panaudojant plazmos uždegimui apie 0,1 GW energijos.

Dabar aktyviai ieškoma alternatyvių energijos šaltinių iškastinį kurą naudojančiai energetikai. Deja, skaičiavimai rodo, kad visi atsinaujinantys elektros energijos šaltiniai negali visiškai patenkinti vis didėjančio energijos poreikio. Pavyzdžiui, saulės elektrinės gali dirbti tik dieną, todėl reikalingi energijos akumuliatoriai, kaupiantys energiją dieną ir atiduodantys ją naktį. Turint 1 GW vidutinės galios saulės elektrinę reikia pastatyti apie 60 TJ (teradžaulių) energijos kaupiklį ir dar vieną 1 GW elektrinę, kuri sukauptą energiją naktį paverstų elektra. Tokiu kaupikliu galėtų būti 30 kvadratinių kilometrų ploto ežeras, kuris būtų 20 metrų virš kito ežero, atskirto pylimu. Dienos metu dalis saulės elektrinės pagamintos energijos būtų naudojama pakelti vandenį į viršutinį ežerą, o naktį antroji elektrinė (hidroelektrinė) gamintų elektrą išleidžiant vandenį iš aukštutinio ežero (Kruonio hidroakumuliacinės elektrinės analogas).

Todėl greta visokių atsinaujinančios energijos šaltinių stabiliam energetinės sistemos darbui būtina taip vadinama bazinė energetika, kuri gamintų apie 50 % visos sunaudojamos energijos. Dabar tokiai energijai daugiausia yra naudojami iškastinį kurą (naftą, gamtines dujas) vartojantys įrenginiai. Tačiau atmosferos tarša anglies junginiais ir dėl to intensyvėjantis šiltnamio efektas verčia ieškoti kitų bazinės energetikos šaltinių.

Branduolinė energetika yra nebloga alternatyva iškastinį kurą naudojančioms elektrinėms, tačiau yra didelė susidariusių atliekų laikymo problema. Jei 2050 m. atominės elektrinės gamintų 50 % visos reikalingos elektros energijos, tai jos sukurtų ir apie 50 tūkstančių tonų didelio radioaktyvumo atliekų per metus. Tai nėra labai daug, prisiminus, kad tokios pat galios šiluminės elektrinės išmestų į atmosferą maždaug tiek pat anglies per vieną minutę. Blogybė yra ta, kad tos atliekos išlieka pavojingos nuo 10 iki 100 tūkstančių metų, o tai reiškia, kad jos nuolat kaupsis metai iš metų.

Termobranduoliniuose reaktoriuose radioaktyvių atliekų susidaro nepalyginamai mažiau. Jei naudojama deuterio ir tričio sintezės reakcija, tai atsiranda tokamako kameros sienelių aktyvacija neutronais. Padengus sieneles tam tikrais kompozitais galima pasiekti, kad susidarančios radioaktyvios medžiagos išliktų pavojingos tik 30–50 metų, o jų kiekis būtų dešimtis kartų mažesnis negu atominių elektrinių sukuriamų radioaktyvių atliekų. Dar geresnis variantas būtų naudoti deuterio ir He-3 sintezės reakciją, kurios metu neutronai visai nesusidaro. Deja, šiai reakcijai reikia dar aukštesnių temperatūrų ir deficitinio He-3 izotopo, kurio reikiamo kiekio galima rasti nebent Mėnulyje.

Tikėkimės, kad pavyks sėkmingai įgyvendinti ITER projektą, tada vienas labai svarbus žmonijos ilgalaikės plėtros uždavinių galėtų būti sėkmingai išspręstas.

Pasidalinkite su draugais

Aut. teisės: bernardinai.lt

Autoriai: Česlovas Šimkevičius

Komentarai (8)