Termobranduolinės sintezės kūrėjai pasuko akligatvin, tačiau išsigelbėjimas jau gali būti pasiekiamas ranka

1968-ųjų žiemą britų fizikai nuvyko į Maskvą apžiūrėti tokamaku pavadintos mašinos. Šis sintezės reaktorius buvo naujai sukurtas, kaip konkurentas Amerikos sintezės bandymui – stelaratoriui. Rusai teigė, kad tokamakas smarkiai pranoksta stelaratorių. Amerikiečiai nesutiko. Bet britai išsiaiškino, kad rusai buvo teisūs. Tokamakas daug geriau už to laiko stelaratorius vietoje išlaikė karštą atomų branduolių ir elektronų sriubą, vadinamą plazma, kuri yra branduolių sintezės kuras. Taigi, stelaratorių naudojimas menko ir tokamakai tapo įprastu būdu paversti branduolių sintezę praktiška ir naudinga technologija.

Termobranduolinė sintezė žadėjo gausią, saugią, švarią energiją iš deuterio, sunkiojo vandenilio izotopo, sudarančio ~0,016% iš visų vandenilio atomų, ir tričio, dar sunkesnio vandenilio izotopo, kurį nesunku pagaminti iš ličio. Jungiant deuterį su tričiu, gaunamas helis (ir dar neutronas), bei daugybė energijos. Bet šis pažadas nebuvo išpildytas. Senas pokštas – komercinė termobranduolinė sintezė planuojama po 30 metų, ir taip bus visada – labiau teisingas, nei juokingas. Naujausias tokamakas, Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER), statomas Prancūzijoje pradės (remiantis dabartiniais planais) vykdyti sintezę, pavėlavęs dešimtmetį, 2027 metais, atsiėjęs mažiausiai 15 mlrd dolerių. Tai daugiau nei dvigubai viršija pradinę kainą. Niekas rimtai nesitiki komercinio įpėdino sulaukti anksčiau, nei šio amžiaus viduryje.

Tačiau pastaraisiais metais nutiko kai kas įdomaus. Nuo septintojo dešimtmečio praktiškai neįsivaizduojamai išaugusiais skaičiavimo pajėgumais sutvarkius persekiojusias problemas, į sceną ėmė grįžti atstumtieji stelaratoriai. Nėra garantijų, kad jiems pavyks tai, ko nepadarė tokamakai. Bet termobranduolinės sintezės bendruomenėje sklando tikra viltis vietoje sukryžiuotų pirštų. Nes lapkritį pradės veikti vokiškas stelaratorius Wendelstein 7-X. O Wendelstein 7-X yra pirmasis stelaratorius, galintis, remiantis tos minėtos skaičiavimo galios duomenimis, puikiausiai sukurti magnetinį lauką, kurio reikia sintezei.

Idealu ir gerai

Atomų branduolių elektrinis krūvis yra teigiamas. Tokie patys krūviai vienas kitą atstumia. Tad labai nelengva du branduolius suartinti pakankamai, kad stiprioji branduolinė sąveika, laikanti branduolius krūvoje, nugalėtų atstumiančią elekromagnetinę jėgą – ir taip sulietų šiuos branduolius į vieną. Reikia milijonų laipsnių temperatūros, kad branduoliai skrietų taip greitai, kad elektromagnetinės sąveikos pasipriešinimas būtų įveiktas. Aukštas spaudimas, koncentruojantis branduolius ir padidinantis jų susidūrimo tikimybę, irgi neprošal.

Kontroliuoti tokią karštą, suspaustą plazmą – o būtent, kad ji neprisiliestų prie kameros sienelių ir taip neprarastų karščio (bei nesugadintų sienelės) – reikia magnetiniais laukais. Jei šie magnetiniai laukai nebus idealūs, plazma nutekės.

Tokamakuose, turinčiuose tuščiavidures riestainio formos kameras, plazma sulaikoma dviem magnetiniais laukais. Vieną sukuria superlaidžiais elektromagnetais, supančiais kamerą ir centrinę skylę (žr. pav.). Kitas atsiranda iš pačioje plazmoje indukuotos elektros srovės. Tokia paprasta kombinacija sukuria magnetines jėgos linijas apie plazmą, suformuojančias iš jos mažesnį riestainį riestainyje. Stiprinant laukus, sukuriamas vis tankesnis riestainis, dėl to kyla plazmos temperatūra ir slėgis kyla, kol pasiekiamas lygis, kai branduoliai gali susilieti.

Tačiau kana už tokamako paprastumą yra tokia, kad šis laukas išorinių ribų silpnėja, ir jo jėgos linijos linkusios slinkti. Plazma slenka įkandin ir dėl to kartais paliečia kameros sieneles. Tuo tarpu stelaratoriaus sintezės kamera ir ją supantys magnetai panašūs į kažką iš Gaudí idėjų: posūkių, linkių ir asimetrijos kratinį. Teoriškai toks sudėtingumas reiškia, kad poslinkis vienoje kameros dalyje kompensuojamas kitoje, kitaip orientuotoje dalyje. Visame kameros perimetre plazma yra spaudžiama vienodai.

Septintojo dešimtmečio stelaratorių dizainas ir kūrimas buvo pusiau mokslas ir pusiau meno forma. Iš čia radosi palankumas tokamakams. Bet superkompiuteriai ir tikslioj inžinerija tai pakeitė. Tad gali būti, kad palankumo tokamakams vietoje stelaratorių priežastys išnyko. Wendelstein 7-X tai patikrins.

Pirštai, žinoma, bus sukryžiuoti. Kompiuteriniai modeliai nėra realybė, kaip savo kailiu patyrė amerikiečių National Ignition Facility projektas. (NIF sukurtas atlikti vadinamuosius „inercinius apribojimus”, 192 galingais lazeriais įkaitinant ir suspaudžiant sušaldyto deuterio ir tričio kapsules. Jis puikai atitinka dizaino specifikacijas, bet vis vien atsisako sukurti daugiau energijos, nei sunaudoja. [Gal tik kartais]). Visgi ankstesni eksperimentai su mažesniais stelaratoriais reiškia, kad mechanizmo valdytojai iš Maxo Plancko Plazmos fizikos instituto yra gan užtikrinti.

Net jei Wendelstein 7-X veiks, kaip numatyta, ITER behemotas niekur nedings. Tai užtikrins negrįžtamų išlaidų argumentacijos klaida ir šalies šeimininkės, bei kitų dalyvių nacionalinis išdidumas. Bet ITER gali būti paverstas iš termobranduolinės sintezės flagmano į technologijos tikrinimo poligoną, pavyzdžiui, neutronams atsparių medžiagų, kurios paskui galėtų būti naudojamos stelaratoriuose.

Tačiau visai kol kas neatsako į klausimą, kam termobranduolinės sintezės energijos reikia iš viso. Net jei stelaratoriai veiks gerai, 30 metų – ar kažk labai artimo – taisyklė, veikiausiai tebegalios. O amžiaus viduryje pasaulio energetinis landšaftas veikiausiai bus visai kitoks. Gal išties žiojės pasiūlos skylė, kurią užtaisyti galės tik termobranduolinė sintezė. Tačiau labiau tikėtina, kad pigūs fotovoltiniai elementai ir energijos kaupimo technologijos reikš, kad didžioji žmonijai reikalingos energijos dalis bus gaunam iš kitokio termobranduolinio reaktoriaus – už 150 milijonų kilometrų esančios Saulės.

www.economist.com

Komentarai (1)