Tokio paties termobranduolinio reaktoriaus sukūrimas čia, Žemėje, būtų labai rimtas žingsnis į priekį mažinant puodo kaitinimą. Ir pastangų tikrai nestinga – kuriami teoriniai termobranduolinių reaktorių projektai, kurių pats populiariausias, tokamakas, jau yra daugiau nei 50 metų senumo.
Tokamakuose sunkieji vandenilio izotopai įkalinami riestainio formos magnetiniame lauke, kuriame plazma yra kaitinama ir slegiama tol, kol deuteris ir tritis (tie minėtieji sunkieji vandenilio izotopai) pradeda jungtis į helį, tuo pačiu išskirdami didžiulį energijos kiekį. Po daugybės vis didesnių laboratorinių tokamako modelių, termobranduolinę energetiką tiriantys mokslininkai prieš 10 metų sutarė pastatyti milžinišką bandomąjį reaktorių. Dabar jis statomas Prancūzijoje ir žinomas ITER pavadinimu.
Ir, jeigu viskas vyks pagal planą (ko tikėtis nereikėtų), 2035 metais ITER per kelis šimtus sekundžių prigamins 500 megavatų energijos. Tokiu būdu ITER taptų pirmuoju istorijoje termobranduoliniu reaktoriumi, kuris prigamina daugiau energijos nei sunaudoja.
Kitas taip pat perspektyvus termobranduolinio reaktoriaus tipas yra stelaratorius, kurio vidinių paviršių forma yra gerokai sudėtingesnė. Jo vystymas šiek tiek atsiliko nuo tokamako – elektromagnetų, laikančių vandenilio plazmą stabilioje erdvėje, formos buvo tokios sudėtingos, kad tik prieš kiek daugiau nei dešimtmetį atsirado pirmieji pakankamai galingi kompiuteriai, kad tas formas išskaičiuotų tiksliai.
Maždaug prieš metus Vokietijoje buvo pirmą kartą paleistas vienas šio tipo reaktorių „Wendelstein X-7“, sugebėjęs sėkmingai išlaikyti plazmą, rašo sciencealert.com.
Bet nuo tada kilo klausimas: ar reaktorius tiksliai veikė taip, kaip numatyta? O klausimas ganėtinai svarbus, kai kalbama apie aparatą, kuris vieną dieną galėtų suvaldyti termobranduolines reakcijas. Visai neseniai atsakymas buvo gautas. Laimei, teigiamas.
JAV ir Vokietijos mokslininkai patvirtino, kad stelaratorius sugeba generuoti super-stiprų įmantrios formos magnetinį lauką, kurio realus veikimas su išankstiniu kompiuteriniu modeliu sutampa „beprecedenčiai tiksliai“. Mokslininkai nustatė, kad neatitikimų dažnis yra mažesnis nei 1 iš 100 000.
„Kiek mums žinoma, tai yra beprecedentis tikslumas, ir kalbant apie pagamintus termobranduolinius reaktorius, ir kalbant apie magnetinės topologijos matavimus“, – straipsnyje, kurį publikavo „Nature Communications“, rašė mokslininkai.
Gal kam nors tai gali pasirodyti kaip nuobodokos naujienos, tačiau iš tiesų šios žinios svarba yra milžiniška, mat tas magnetinis laukas yra vienintelis dalykas, kuris karštus plazmos srautus išlaiko pakankamai ilgai, kad įvyktų branduolių susijungimas.
Termobranduolinės reakcijos nuo branduolinių reakcijų, vykdomų šiuolaikinėse atominėse elektrinėse, skiriasi kardinaliai. Pastarosiose energija gaunama skaldant itin didelės masės medžiagų branduolius. Šio skilimo metu išsiskiria nemažas kiekis energijos, tačiau esama ir pavojingų šalutinių produktų – radioaktyvios spinduliuotės ir radioaktyvių dalelių.
Termobranduolinėse reakcijose jungiasi vieni iš lengviausių atomų branduolių, taip pat išsiskiriant dideliam energijos kiekiui, tačiau jokie pavojingi produktai šių reakcijų metu nesusidaro. Bet kad vyktų tokios reakcijos, reikalingos ypatingos sąlygos: milžiniška temperatūra ir slėgis.
Sprendžiant pagal laiką, kurį jau šviečia Saulė irkurį, mokslininkų skaičiavimais, ji dar švies, galima spėti, kad termobranduolinė energetika galėtų žmones aprūpinti pakankamai ilgai. Žinoma, jeigu sugebėsime ją pažaboti.
Tas „jeigu“ vis dar yra labai didelis (kaip jau minėta, pirmasis Tokamakas buvo pagamintas prieš maždaug 50 metų, o termobranduolinės energetikos tyrimai apskritai vykdomi daugiau nei 60 metų). Ir, nepaisant to, kad laikas nuo laiko įveikiamos svarbios kliūtys, iki tikslo – patikimai veikiančio reaktoriaus, kuris energijos prigamina daugiau, nei sunaudoja – mums dar ganėtinai toli
Didžiausias iššūkis – Saulės sąlygų atkartojimas. Kitaip tariant, reikia pasigaminti aparatą, kuris sukurtų ir suvaldytų dujų plazmos kamuolį, įkaitintą iki 100 mln. ºC. Ir šioje srityje pagirndiniai pretendentai užkurti Saulę Žemėje – tokamako ir stelaratoriaus tipo reaktoriai. Pirmieji bando suvaldyti plazmą ganėtinai paprastame, dvimačiame magnetiniame lauke. Tuo tarpu stelaratorius veikia generuodamas susuktą trimatį magnetinį lauką.
Tokiu būdu stelaratorius gali plazmą kontroliuoti be papildomos elektros srovės, kuri būtina tokamakams. O tai savo ruožtu stelaratoriams suteikia stabilumo – jie galėtų veikti ir tuo atveju, jeigu dėl kokių nors priežasčių sutriktų energijos tiekimas magnetinio lauko generatoriams.
Bent jau teoriškai.
Bėda ta, kad, nepaisant sėkmingo stelaratoriaus bandymo suvaldyti helio plazmą praėjusių metų gruodį ir kiek sudėtingesnio vandenilio plazmos suvaldymo vasarį, iki šiol niekas nebuvo įrodęs, kad magnetinis laukas elgiasi taip, kaip ir numatyta teoriškai.
Norėdami šio lauko veikimą išmatuoti, JAV Energetikos departamento ir Vokietijos Maxo Plancko Plazmos fizikos instituto mokslininkai per reaktoriaus magnetinio lauko juostas paleido elektronų srovę.
Per šią elektronų srovę jie braukė fluorescuojančiu zondu, taip gaudami magnetinio lauko formos šviesos signalą. Rezultatas, matomas pagrindinėje šio teksto iliustracijoje, yra būtent toks susuktas magnetinis laukas, kokio ir tikėtasi pagal modeliavimą.
„Patvirtinome, kad mūsų sukurtas magnetinis narvas veikia taip, kaip ir numatyta“, – sakė JAV Energetikos departamento Prinstono plazmos fizikos laboratorijos mokslininkas Samas Lazersonas.
Ir nors šis eksperimentinis reaktorius veikia sėkmingai, iš tiesų „Wendelstein 7-X“ paskirtis nėra gaminti elektros energiją iš termobranduolinių reakcijų. Jis tiesiog praktiškai patvirtina, kad yra galimybė tai padaryti.
2019 metais reaktorius bus pritaikytas ne paprastam vandeniliui, o deuteriui – tuomet reaktoriuje iš tiesų vyks termobranduolinės reaktorius. Bet net ir tada jis nesugebės generuoti daugiau energijos, nei dabar sunaudojama jo veikimui užtikrinti.
Šį energijos balanso barjerą į mums naudingą pusę turėtų peržengti kitos kartos stelaratorius. „Jo kūrimo užduotis ką tik pradėta“, – aiškina tyrimus su dabartiniu reaktoriumi atlikę mokslininkai.
Gerų naujienų jau rytoj tikėtis nereikėtų. Tačiau termobranduoline energetika besidomintiems žmonėms turėtų būti smagu sužinoti, kad stelaratorius oficialiai stojo į konkurencinę kovą su tokamaku, nes dabar jau aiškiai ir eksperimentiškai įrodyta: ir vienas, ir kitas gali pakankamai ilgai išlaikyti plazmą, kad jo viduje įvyktų branduolių jungimosi reakcija.
O dabar galima pradėti lažybas – kurio tipo reaktorius pirmasis pagamins daugiau energijos nei jos sunaudos.
