Energetikos proveržis: Kinijos „dirbtinė saulė“ sumušė rekordą ir išsprendė seną fizikų problemą ()
Svajonė apie neribotą, švarią energiją, kuri tūkstantmečiams aprūpintų mūsų civilizaciją, ką tik tapo šiek tiek realesnė. Nors apie branduolinę sintezę girdime dešimtmečius – dažniausiai „pažado po 30 metų“ kontekste – naujausios žinios iš Kinijos gali pakeisti šį skeptišką požiūrį.
© DI (Atvira licencija)
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Tarptautinė mokslininkų komanda, dirbanti su Kinijos EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) tokamaku, paskelbė apie sėkmę, kuri išsprendžia vieną iš labiausiai varginančių plazmos inžinerijos problemų. Jiems pavyko išlaikyti stabilią termobranduolinę reakciją visą minutę, tuo pačiu eliminuojant niokojančius temperatūros šuolius, kurie iki šiol grasino išlydyti aparatūrą.
Prieš gilinantis į technines šios sėkmės detales, verta suprasti, su kokiu iššūkiu susiduria fizikai. Tokamakas yra spurgos formos įrenginys, kuris galingais magnetiniais laukais įkalina ekstremaliai karštą plazmą. Kad įvyktų sintezė – tai yra vandenilio branduolių jungimasis į helį, išlaisvinantis milžinišką energijos kiekį – plazma turi pasiekti maždaug 100 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūrą. Tai kelis kartus daugiau nei Saulės branduolyje.
Problema ta, kad jokia mums žinoma medžiaga neatlaikytų tiesioginio kontakto su tokia temperatūra. Todėl mokslininkai naudoja vadinamuosius divertorius – specialius elementus reaktoriaus dugne, kurie atlieka savotiško „išmetamojo vamzdžio“ funkciją, pašalindami šilumos perteklių ir priemaišas. Deja, dirbant didelio našumo režimais (vadinamuoju H-režimu), plazma linkusi generuoti staigius energijos išsiveržimus, vadinamus ELM (Edge-Localized Modes). Jie tarsi miniatiūriniai Saulės žybsniai trenkiasi į reaktoriaus sienas ir gali jas nepataisomai sugadinti. Iki šiol fizikai turėjo rinktis: arba didelis našumas ir avarijos rizika, arba saugus darbas esant žemiems parametrams.
DTP režimas: nauja era plazmos stabilizavimo srityje
Komanda, vadovaujama profesoriaus Xu Guoshengo iš Hefėjaus Plazmos fizikos instituto, įrodė, kad šis kompromisas neprivalo būti amžinas. Tyrėjai pasauliui pristatė naują įrenginio darbo režimą, pavadintą DTP (Detached divertor and Turbulence-dominated Pedestal). Laisvai verčiant, tai režimas, kuriame ekstremali šiluma yra „atjungta“ nuo divertoriaus, o plazmos krašto stabilumas patikėtas kontroliuojamai turbulencijai.
Sėkmės raktu tapo tikslus priemaišų dujų įšvirkštimas (vadinamasis impurity seeding). Švelniai „užteršdami“ plazmą lengvosiomis dujomis, mokslininkai sukūrė savotišką terminį buferį. Tai leido pasiekti dalinio divertoriaus atsiskyrimo būseną (partial detachment). Tai reiškia, kad karščiausia plazmos dalis tiesiogiai neliečia metalinių įrenginio sienelių, o tai drastiškai sumažina šiluminę apkrovą neužgesinant pačios reakcijos.
Turbulencija, kuri gelbėja situaciją
Smalsiausiems skaitytojams įdomiausias yra mechanizmas, pakeitęs griaunamuosius ELM. DTP režime mokslininkai pastebėjo specifinių mikroturbulencijų atsiradimą, kurios identifikuotos kaip pagautųjų elektronų modai, varomi temperatūros gradiento. Skamba sudėtingai, tačiau praktiškai tai veikia kaip saugos vožtuvas. Užuot kaupusi slėgį plazmos krašte iki staigaus sprogimo (minėto ELM), ši turbulencija nuolat ir švelniai „išveda“ dalelių ir šilumos perteklių į išorę.
Dėl to elektronų temperatūra ant vadinamojo „pjedestalo“ (plazmos šerdies krašto) galėjo pakilti, o tai savo ruožtu pagerino bendrą energijos izoliaciją visame reaktoriuje. Rezultatas? Stabili, naši plazma, kuri neniokoja savo korpuso. Itin svarbu tai, kad eksperimentas buvo atliktas aplinkoje su metalinėmis sienomis – tai kertinis akmuo būsimiems projektams, pavyzdžiui, tarptautiniam ITER reaktoriui, kuriame taip pat bus naudojami metaliniai komponentai vietoj lengviau valdomos, bet mažiau patvarios anglies.
Kodėl 60 sekundžių yra tiek daug?
Gali atrodyti, kad viena minutė yra trumpas laikas, tačiau sintezės fizikos pasaulyje, kur procesai vyksta mikrosekundėmis, tai yra ištisa amžinybė. Stabilumo išlaikymas minutės skalėje įrodo, kad valdymo sistema geba realiuoju laiku reaguoti į pokyčius ir išlaikyti reaktorių pusiausvyros būsenoje. Tai perėjimas nuo trumpų impulsų prie nuolatinio darbo (steady-state operation) – o tai yra esminis reikalavimas bet kuriai būsimai termobranduolinei elektrinei.
Hefėjaus mokslininkų darbas, publikuotas prestižiniame „Physical Review Letters“, yra milžiniškas pasiekimas. Jis vienu metu išsprendžia tris problemas: apsaugo reaktoriaus sienas nuo karščio, pašalina ELM nestabilumus ir išlaiko didelį energetinį našumą. Jei šiuos rezultatus pavyks pritaikyti didesniems įrenginiams, kelias iki „žvaigždės butelyje“, stovinčios kiekviename mieste, taps gerokai paprastesnis. Kinijos EAST tokamakas dar kartą įrodė esantis vienas svarbiausių bandymų poligonų lenktynėse dėl ateities energijos.
