Termobranduolinė sintezė: vykstantis stebuklas  (5)

Nors termobranduolinės sintezės problemai daugiau nei pusšimtis metų, žmogus prie jos sprendimo dar tik artinasi. Kodėl taip nutiko ir ar spėsime parinkti raktą šiai reakcijai, kol neišnaudotas visas iškastinis kuras?


Visi šio ciklo įrašai
  • 2018-10-03 Termobranduolinė sintezė: vykstantis stebuklas  (5)

Prisijunk prie technologijos.lt komandos!

Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.

Sudomino? Užpildyk šią anketą!

Optimizmas – geras dalykas, tačiau vien jo negana. Tarkime, remiantis tikimybių teorija, ant kiekvieno mirtingojo galvos turėtų užkristi plyta. Čia jau nieko nepaveiksi: Visatos dėsnis. Tad, tokiu neramiu metu žmogų į gatvę gali išeiti tik vedamas tikėjimo geresne lemtimi. Komunalininkų motyvacija sudėtingesnė: juos gatvėn stumia būtent toji plyta, besitaikanti ant ko nors nukristi. Juk darbuotojas apie tą plytą žino ir gali viską ištaisyti. Lygiai taip pat gali ir neištaisyti, bet svarbiausia, kad ir koks bebūtų sprendimas, vien optimizmas jo nenuramins.

Būtent tokioje padėtyje XX amžiuje atsidūrė pasaulio energetika. Sprendimus įpareigoti atlikti žmonės nusprendė, kad anglis, nafta ir gamtinės dujos bus kaip Saulė dainoje – visada, kad plyta tvirtai įmūryta ir niekur nesidės. O jei, tarkime, dingtų – juk yra termobranduolinė sintezė, nors dar ir nelabai valdoma. Logika tokia: atrasta ji buvo greitai, tad ir jos suvaldymas užtrukti neturėtų. Tačiau metai ėjo, o termobranduolinė sintezė nesiteikė būti suvaldyta. Vis aikštijosi, reikalaudama daugiau, nei paprasti mirtingieji pasiūlyti galėjo. Jie, beje, nieko nesprendė, tylutėliai sau buvo optimistais.

Neramiai sukrusti paskatino pasigirdusios viešos kalbos apie iškastinio kuro baigtinumą. Be to, koks būtent tas baigtinumas, neaišku. Visų pirma išmatuoti dar nerastus naftos ar dujų išteklius sudėtinga. Antra, prognozes apsunkina kainų svyravimai rinkoje, nuo kurių priklauso išgavimo sparta. Ir trečia, įvairaus kuro poreikis svyruoja tiek laike, tiek erdvėje: pavyzdžiui, 2015 metais pasaulinė anglies paklausa (trečdalis visų energetinių iškasenų) pirmą kartą sumažėjo nuo 2009 metų, tačiau iki 2040 metų, manoma, smarkiai išaugs (en.pdf, ru.pdf ), ypač Kinijoje ir Artimuosiuose Rytuose.

Vaizdumo dėlei, remkimės TEA (Tarptautinės energetikos agentūros) prognoze ir nubrėžkime 40–270 metų linijų, po kurios iškastinis kuras baigsis.

Kitas, per vėlai aptiktas iškastinio kuro trūkumas, – žalingos emisijos. Deginant anglis, naftą ir gamtines dujas, susidaro anglies dvideginis, monoksidas ir kitos atmosferą teršiančios bjaurastys. Kuo daugiau atmosferoje tokių junginių, tuo mažiau Saulės šilumos Žemė atspindi atgal į kosmosą ir tuo daugiau šunybių atmosfera gali iškrėsti. Emisijų situacija tapo tokia kebli, kad IPCC (Tarptautinė klimato kaitos ekspertų grupė) paskelbė (en.pdf, ru.pdf) ultimatumą: iškastinio kuro būtina atsisakyti iki 2100 metų. Antraip klimato pokyčiai taps nebegrįžtami.

Tad, daugių daugiausiai per 270 metų pasaulio energetika privalo atsisakyti naftos, anglies ir gamtinių dujų (kol kas 80 procentų elektros energijos sukuriama iš jų) ir imtis kažko kito – saugaus, našaus ir kad smarkiai neplėšytų kišenės. Tad, pereikime prie atidundančios energetikos revoliucijos – valdomos termobranduolinės sintezės.

Nepaisant Kulono

Kaip atsimename, paprasčiausio atomo branduolį sudaro teigiamą krūvį turintis protonas ir neigiamai įkrautas elektronas. Prie, pavyzdžiui, vandenilio atomo branduolio prilipdę vieną neutroną, gausime vandenilio izotopą – deuterį. Priklijavę du neutronus, gausime kitą izotopą – tritį. Sulig kiekvienu nauju neutronu vandenilio atomo numeris ir cheminės savybės lieka tokios pačios, o štai atominė masė (protonų ir neutronų suma) ir fizinės savybės kinta. Atomų branduolių konstravimas, valdant jų fizines savybes ir domina branduolio fiziką.

Norint pradėti termobranduolinę sintezę, reikia suartinti du nedidelio atominio skaičiaus izotopų branduolius – tarkime, deuterio ir tričio, – iki vieno atomo branduolio atstumo, kad jie „susilietų“ ir sudarytų naują, sunkesnį branduolį, mūsų pavyzdyje – helio-4. Einšteino formulė \(\mathtt{E=mc^2}\) rodo, kad taip bus išlaisvinta daugybė energijos, kurios didžioji dalis teks vienišam neutronui: susiliejus deuteriui ir tričiui, jis išskris ir niekados nesugrįš. Beje, suglausti branduolius visai nėra paprasta ir tai – pirmoji sintezės problema, kurią šiek tiek supaprastina nedidelis dalyvaujančių elementų atomo numeris.

Mat to paties ženklo elektrinį krūvį turintys atomo branduoliai vengia vienas kito – veikia Kulono dėsnis. Todėl deuterio ir tričio dujas tenka įgreitinti vakuume, pašildant jas ik didesnė nei 100 milijonų kelvinų temperatūros. Atomai nusimeta elektronų apvalkalus ir dujos tampa plazma, sudaryta vien iš elektringų dalelių, kurias galima valdyti magnetiniais laukais. Tiesą sakant, šiuolaikiniams įrenginiams 100 milijonų laipsnių – ne riba, tik, tiesa, maksimalus „energijos išlaikymo laikas“ tokiame pragare yra dvigubai mažesnis, ir kol kas neviršija 102 sekundžių.

Plazmos išlaikymo trukmės ir reakcijos spartos kompromisas – antroji termobranduolinės sintezės problema. Jos sprendimo būdų skaičius sutampa su reaktorių tipų skaičiumi: kvazistacionarūs (stelaratoriai ir tokamakai) ir inerciniai. Pirmieji – tuščiaviduriai „riestainiai“, kuriuose dujos įkaitinamos elektra ir nuo išorinių sienelių izoliuojamos magnetiniu lauku. Antrieji – „kamuoliukai“, juose užšaldyti izotopai padegami ir suspaudžiami lazeriais. Tokamakai ir stelaratoriai skirti ilgam veikimui su išretinta plazma, o „impulsiniai“ – „šūviams“ į supakuotą mišinį.

Akylesnis skaitytojas, žinoma, pastebėjo: termobranduoliniai reaktoriai – ir netgi skirtingi – jau egzistuoja. Tai kodėl pirtį kūrenam malkomis, o ne plazma?

Žvaigždės, karas ir savamokslis fizikas

Kad pajustum termobranduolinės sintezės mokslininkams keliamą galvasopį, mintimis pakartokime jų nueitą kelią. 1934 metais sovietų kilmės amerikiečių fizikas Georgijus Gamovas, žvelgdamas į žvaigždes, susimąstė: kaip jos gali švytėti milijonus metų? Neseniai buvo atrasti nuklonai ir vyko branduolio fizikos pakilimas, tad, nekeista, jis manė, kad tai vyksta dėl branduolinių reakcijų. Po keturių metų Gamovo hipotezę išplėtojo amerikietis Hansas Bethe'as. Jis manė, kad Saulės centre vandenilio atomai susidurdami virsta izotopais, o paskui ir kitais elementais. Jų masės skaičių skirtumas ir įžiebia šviesulį.

Ėjo 1938-ieji. Kol romantikai svarstė apie pasaulio sandarą, politikai pradėjo anšliusą ir ruošėsi šaltajam karui. 1941 metais italų kilmės amerikietis, vienas iš dviejų grandininės branduolinės reakcijos „tėvų“ Enrico Fermi pasiūlė Manhatano projekto kolegoms pagalvoti ne apie skilimo, tai yra branduolinę, o sintezės, tai yra, vandenilinę, bombą. Fermi idėja siaubingai patiko Edwardui Tellerу'iui dėl dviejų priežasčių: jam patiko sunkumai ir jis buvo smalsus, o atomų suskaidymo užduotis tuo metu jau buvo pusiau išspręsta (pirmasis branduolinis reaktorius pradėjo veikti jau kitais, 1942 metais). Neįdomu.

Robertas Oppenheimeris tokio entuziazmo nejuto. Tačiau iš „problemiškų“ termobranduolinės hipotezės adeptų suformavo Tellerу'io vadovaujamą atsarginį būrį. Kai „problemiškas“ matematikas Stanislawas Ulamas aprašė galimą termobranduolinės sintezės algoritmą, tyrimai pasuko praktine vaga. Ir 1951-aisiais, praėjus šešiems metams nuo branduolinio ginklo išbandymo, JAV atliko parengiamąjį, o dar po metų – visavertį termobranduolinio užtaiso bandymą. Kaip užtaisas jame buvo naudojami skysti vandenilio izotopai, kuriuo paskui, siekdami padidinti sprogimo galią, pakeitė kietu ličio-6 ir ličio-7 deuteridu.

Sovietinis termobranduolinio ginklo prototipas, jaukiai pavadintas „Sluoksniuočiu“, buvo parengtas 1949 metais, o 1950 metais savamokslis fizikas Olegas Lavrentjevas – įvairovės dėlei – pasisakė už pramoninę termobranduolinę sintezę. Girdi, neblogai būtų ne tik griauti. Po kelių mėnesių vienu metu su amerikiečiais, Igoris Tammas ir Andrejus Sacharovas išbaigė Lavrentjevo koncepciją, pasiūlę uždaryti plazmos judėjimą variniame „riestainyje“ ir izoliuoti ją magnetinėmis gaudyklėmis. Tais pačiais, 1951 metais, astrofizikas Lymanas Spitzeris sukūrė pirmąjį pasaulyje termobranduolinio reaktoriaus – stelaratorių.

Reikėtų pasakyti, kad tautybės čia minimos ne atsitiktinai. Ginklavimosi varžybos termobranduolinę energetiką stabdė ne menkiau, nei optimizmas ir Kulono stūma. Dėl to SSRS, kuris vandenilinę bombą kūrė atsiliekančiojo pozicijoje, savas termobranduolinis reaktorius atsirado tik 1954 metais, ir tai buvo tokamakas. Reaktorių tipuose ideologija, ar, taip sakant, egzistencinis požiūris, irgi paliko savo pėdsaką: istoriškai taip jau susiklostė, kad stelaratoriai buvo veikiau amerikietiški; tokamakai – veikiau sovietiniai. Užbėgant už akių reikia pasakyti, kad dabar ši tendencija nebeaktuali.

Antra vertus, būtent kariškių reiškiamas poreikis skatino fizikus atlikti mokslo revoliucijas. Per kitus kelis metus pasaulį purtė iš esmės lokalūs konfliktai, todėl termobranduolinė energetika, netekusi globalaus dėmesio, tiesiog dreifavo sau.

Dar vienas lyrinis nukrypimas. Formaliai stelaratoriai buvo laikomi – ir tebelaikomi – progresyvesniais už tokamakus. Ir ne be priežasčių. Visų pirma, stelaratoriuose plazma kaitinama ir sulaikoma tik išorinėmis srovėmis ir ritėmis. Tokamakuose procesas įkuriamas per plazmą tekančia elektros srove, kuri tuo pačiu metu sukuria papildomą magnetinį lauką. Dėl to tokamako „riestainyje“ atsiranda laisvi elektronai ir jonai, kuriantys jau savus magnetinius laukus, besikėsinančius sugriauti pagrindinį lauką, numušti temperatūrą ir šiaip viską sugadinti.

Antra, stelaratorių kameros yra ne tiesiog „riestainiai“, o „sulamdyti riestainiai“: kitaip nei tokamakuose, stelaratoriuose nėra azimutinės simetrijos. Stelaratorių „sulamdytuose riestainiuose“ ritės yra sraigtinės, gaubtos formos (tokamakuose jos tiesios ir tarpusavyje lygiagrečios) ir „susuka“ jėgos linijas. Tai irgi stabilizuoja plazmą ir dar – padidina teorinę optimalaus kameros slėgio ribą. O slėgio kvadratas maždaug proporcingas reakcijos greičiui. Kuo slėgis didesnis, tuo greičiau viskas vyksta.

Stelaratoriai dominavo iki 1969 metų, kai pirmame ir vieninteliame sovietiniame T-3 tokamake plazmos temperatūra (vos vieno kubinio metro tūrio), pasiekė rekordinius tris milijonus laipsnių, kas yra vos penkis kartus mažiau, nei temperatūra Saulės centre. Britų fizikai pasišovė patikrinti eksperimento rezultatus, tačiau, stebuklas, deja, įvyko. T-3 istorija pradėjo tokamakų madą: jie suprantamesni ir pigiau pastatomi. Ir 1983 metais Didžiojoje Britanijoje buvo užbaigtas didžiausias iš dabar esančių šio tipo termobranduolinių reaktorių – JET.

JET plazmos tūris jau apie 100 kubinių metrų. Per 30 metų jis pasiekė ne vieną rekordą: išsprendė pirmąją termobranduolinės sintezės problemą, įkaitinęs plazmą iki 150 milijonų kelvinų; sugeneravo 1 megavato galią, o paskui – 16 MW su energijos efektyvumo rodikliu Q ~0,7… Sunaudotos energijos santykis su gauta – trečioji termobranduolinės sintezės problema. Teoriškai, tam, kad plazma galėtų palaikyti savo degimą, Q turi būti didesnė už vienetą. Tačiau praktika parodė, kad to negana: iš tiesų Q turi būt daugiau nei 20. Tarp tokamakų JET pasiektas Q kol kas nepralenktas.

Nauja viltimi tapo ITER tokamakas, kuris dabar viso pasaulio pajėgomis statomas Prancūzijoje. ITER Q rodiklis turėtų siekti 10, galia – 500 megavatų, kurie iš pradžių bus tiesiog išsklaidomi. Projektas vykdomas nuo 1985 metų ir turėjo būti baigti 2016 metais. Tačiau statybos kaina palengva išaugo nuo 5 iki 19 milijardų eurų ir eksploatacijos pradžios data buvo nukelta dar 9 – 11 metų. ITER turėtų būti tiltelis į DEMO reaktorių, kuris, planuojama, penktajame dešimtmetyje, sugeneruos pirmąją „termobranduolinę“ elektrą.

„Impulsinių“ sistemų biografija – ne tokia dramatiška. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje pripažinę „pastoviosios“ sintezės varianto netobulumą, mokslininkai plazmos išlaikymo pasiūlė atsisakyti. Vietoje to izotopai turėjo būti milimetrinėje plastiko sferoje, ši – auksinėje kapsulėje, atšaldytoje beveik ik absoliutaus nulio, o kapuslė – kameroje. Paskui kamerą sinchroniškai „apšaudydavo lazeriais. Pakankamai greitai įkaitinus ir suspaudus kurą, reakacija įvyks dar prieš neišsisklaidžius plazmai. 1974 metais privati kompanijai KMS Fusion tokia reakcija pavyko.

Po kelių eksperimentinių įrenginių ir metų paaiškėjo, kad „impulsinė“ sintezė irgi ne be kliaudžių. Problemas kėlė suspaudimo tolygumas: sušaldyti izotopai pasidarydavo ne idealaus rutulio, o „hantelio“ formos, dėl to smarkiai sumažėdavo slėgis, tad ir energinis efektyvumas. Dėl to 2012 metais, po keturių metų darbo, nerandant išeities, vos nebuvo uždarytas stambiausias inercinis JAV reaktorius NIF. Bet jau 2013 metais jis atliko tai, kas nepavyko JET.

Dabar, be stambių termobranduolinės sintezės problemų, sprendžiamos ir „kišeninės“, grynai eksperimentinės, ir įvairiausių konstrukcijų „startuoliški“ įrenginiai. Kartkartėmis ir jiems pavyksta atlikti stebuklus. Pavyzdžiui, neseniai Rochesterio universiteto fizikai viršijo 2013 metais pasiektą energijos efektyvumo rekordą keturis, o paskui ir penkis kartus. Tiesa, nauji uždegimo temperatūros ir slėgio apribojimai niekur nedingo, o ir eksperimentai buvo atliekami maždaug trigubai mažesniame nei NIF reaktoriuje. O linijiniai matmenys, kaip žinia, – reikšmingi.

Kam tiek vargti, paklausite? Kad būtų aiškiau, kuo termobranduolinė sintezė tokia patraukli, palyginkime ją su „įprastais“ degalais. Tarkime, kiekvieną momentą tokamako „riestainyje“ yra vienas gramas izotopų. Sujungus vieną deuterio ir vieną tričio atomą, išsiskiria \(\mathtt{17,6 MeV}\) arba \(\mathtt{0,28\cdot10^{-15}J}\) energijos. Dabar statistika: sudeginę vieną gramą malkų, gausime \(\mathtt{7 000}\) džaulių, anglies – \(\mathtt{40 000}  J\), dujų ar naftos – \(\mathtt{44 000}  J\). Tuo tarpu termobranduoliniame reaktoriuje sudeginę gramą izotopų, galime gauti \(\mathtt{170 000 000 000}  J\) šilumos. Tiek visas pasaulis sunaudoja maždaug per 14 minučių.

Bėgliai neutronai ir mirtinos hidroelektrinės

Be to, termobranduolinę sintezė beveik nedaro žalos. „Beveik“, nes dalį kinetinės energijos pasičiupęs ir pabėgęs neutronas iš magnetinės gaudyklės išskris, tačiau jo kelionė ilga nebus. Nenuoramą greitai sučiups metalinio reaktoriaus šarvo atomo branduolys. Pagavęs neutroną branduolys virs arba stabiliu, tai yra, nepavojingu ir santykinai ilgaamžiu atomu, arba radioaktyviu izotopu – kaip jau pasiseks. Reaktoriaus apšvitinimas neutronais vadinamas sukeltąja, indukuota radiacija. Dėl jos apvalkalą tektų keisti kas 10 – 100 metų.

Pats metas patikslinti, kad aukščiau aprašyta atomų „sulipinimo“ schema – supaprastinta. Kitaip nei deuteris, kurio galima rasti paprastame jūros vandenyje, tritis – nepadoriai brangus dirbtinis radioizotopas. O kaupt jį beprasmiška: branduolys greitai „sugriūna“. ITER tritis bus gaunamas vietoje, suduriant neutronus su ličiu-6 ir atskirai pridedama deuterio. Dėl to bandysiančių kartu su tričiu „pasprukti“ ir reaktoriaus apvalkale užstrigsiančių neutronų bus dar daugiau, nei galėjo atrodyti.

Nepaisant to, termobranduolinio reaktoriaus radioaktyvaus poveikio plotas bus nykstamai mažas. Itoniška, kad saugumą garantuoja pats technologijos netobulumas. Kadangi plazmą reikia laikyti, o „kurą“ paduoti vėl ir vėl, neprižiūrima sistema gali veikti vos kelias minutes (planuojamas ITER laikas – 400 sekundžių) ir užgęsta. Bet net jeigu suirtų, fiziko Christopherio Llewellyno Smitho nuomone, miestų evakuoti neteks: kadangi plazma mažo tankio, tričio joje bus vos 0,7 gramo.

Žinoma, deuteris ir tritis nėra vienintelis variantas. Kaip termobranduolinės sintezės kurą mokslininkai nagrinėja ir kitas poras: deuterio ir deuterio, helio-3 ir boro-11, deuterio ir helio-3, vandenilio ir boro-11. Trijuose paskutiniuose variantuose jokių „pabėgėlių“ neutronų iš viso nėra, o vandenilio – boro-11 ir deuterio – helio-3 jau tiria dvi JAV kompanijos. Tiesiog kol kas turimomis technologijomis deuterį su tričiu sudaužti kiek lengviau.

Naujos energetikos šakos pusėje ir paprasčiausia aritmetika. HE avarijose žuvo šimtai tūkstančių – 26 atominių elektrinių avarijose žuvo dešimtis tūkstančių kartų mažiau žmonių, nei dėl HE avarijų; o kur šimtai ir tūkstančiai įvykių šiluminėse elektrinėse. Tuo tarpu nuo termobranduolinių reaktorių, panašu, niekas, neskaitant nervų ląstelių ir biudžetų, nenukentėjo.

Šaltoji branduolinė sintezė

Kad ir kokia menka galimybė, tačiau „termobranduolinės“ loterijos aukso puodo laimėjimo šansas viliojo daugelį, ne vien fizikus. 1989 metų kovą du gan žymūs chemikai, amerikietis Stanley'is Ponsas ir britas Martinas Fleischmannas, sukvietė žurnalistus, idant apreikštų pasauliui „šaltąją“ branduolinę sintezę. Į tirpalą su deuteriu ir ličiu panardintas paladžio elektrodas, kuriuo tekėjo nuolatinė elektros srovė. Paladžio sugertas deuteris ir litis kartais „susikibdavo“ į tritį ir helį-4, staiga sparčiai įkaitindami tirpalą. Ir visa tai kambario temperatūroje ir normaliame atmosferos slėgyje.