Branduolinės sintezės svajonė priartėjo prie realybės. Štai kodėl

Anglijos laboratorijos mokslininkai sumušė energijos kiekio, pagaminto per kontroliuojamą ir ilgalaikę branduolių sintezės reakciją, rekordą.

Per penkias sekundes Jungtinio Europos toruso (Joint European Torus, arba JET) eksperimente Anglijoje pagamintą 59 megadžaulių energiją kai kurios naujienų agentūros pavadino "proveržiu" ir sukėlė nemažą fizikų susijaudinimą.

Tačiau dažniausiai apie branduolių sintezės elektros energijos gamybą sakoma, kad ji "visada bus gaminama po 20 metų".

Esame branduolinės fizikos fizikas ir branduolinės energetikos inžinierius, kurie tiria, kaip sukurti valdomą branduolių sintezę elektros energijos gamybai.

JET rezultatai rodo, kad pasiekta nepaprastai didelė pažanga suprantant branduolių sintezės fiziką. Tačiau ne mažiau svarbu ir tai, kad jis rodo, jog naujos medžiagos, iš kurių pagamintos vidinės branduolių sintezės reaktoriaus sienelės, veikė taip, kaip buvo numatyta.

Būtent tai, kad naujoji sienelių konstrukcija veikė taip gerai, kaip ji veikė, skiria šiuos rezultatus nuo ankstesnių svarbių pasiekimų ir magnetinę sintezę iš svajonės paverčia realybe.

Sujungtos dalelės

Branduolių sintezė - tai dviejų atomų branduolių susijungimas į vieną sudėtinį branduolį. Tada šis branduolys skyla ir išskiria energiją naujų atomų ir dalelių pavidalu, kurios greitėja reakcijos metu. Branduolių sintezės jėgainė gaudytų išsiskiriančias daleles ir naudotų jų energiją elektros energijai gaminti.

Yra keletas skirtingų būdų, kaip saugiai valdyti branduolių sintezę Žemėje. Mūsų tyrimuose daugiausia dėmesio skiriama JET taikomam metodui - naudojant galingus magnetinius laukus atomai sulaikomi tol, kol įkaista iki pakankamai aukštos temperatūros, kad galėtų susijungti.

Dabartinių ir būsimų reaktorių kuras yra du skirtingi vandenilio izotopai, t. y. turintys vieną protoną, bet skirtingą neutronų skaičių, vadinami deuteriu ir tričiu. Įprasto vandenilio branduolyje yra vienas protonas ir nėra neutronų. Deuteris turi vieną protoną ir vieną neutroną, o tritis - vieną protoną ir du neutronus.

Kad branduolių sintezės reakcija būtų sėkminga, kuro atomai pirmiausia turi taip įkaisti, kad elektronai atsiskirtų nuo branduolių. Taip susidaro plazma - teigiamų jonų ir elektronų rinkinys.

Tuomet šią plazmą reikia kaitinti tol, kol jos temperatūra pasieks daugiau kaip 200 milijonų Farenheito laipsnių (100 milijonų Celsijaus). Tada šią plazmą reikia laikyti uždaroje erdvėje, esant dideliam tankiui, pakankamai ilgą laiką, kad kuro atomai susidurtų vienas į kitą ir susijungtų.

Siekdami kontroliuoti branduolių sintezę Žemėje, mokslininkai sukūrė donuto formos įrenginius, vadinamus tokamakais, kuriuose plazmai sulaikyti naudojami magnetiniai laukai. Magnetinio lauko linijos, apjuosiančios donoro vidų, veikia kaip traukinio bėgiai, kuriais jonai ir elektronai važiuoja.

Įšvirkštus energijos į plazmą ir ją įkaitinus, kuro daleles galima pagreitinti iki tokio didelio greičio, kad joms susidūrus, kuro branduoliai ne atsitrenkia vienas į kitą, o susijungia. Taip atsitikus, išsiskiria energija, daugiausia greitai judančių neutronų pavidalu.

Vykstant sintezės procesui kuro dalelės palaipsniui tolsta nuo karšto, tankaus branduolio ir galiausiai atsitrenkia į vidinę sintezės indo sienelę.

Kad dėl šių susidūrimų sienelės nesuirtų, o tai savo ruožtu taip pat užterštų branduolių sintezės kurą, reaktoriai statomi taip, kad nuklydusios dalelės būtų nukreipiamos į stipriai šarvuotą kamerą, vadinamą divertoriumi. Jis išpumpuoja nukreiptas daleles ir pašalina perteklinę šilumą, kad apsaugotų tokamaką.

Sienos yra svarbios

Pagrindinis ankstesnių reaktorių apribojimas buvo tas, kad divertoriai negali atlaikyti nuolatinio dalelių bombardavimo ilgiau nei kelias sekundes. Kad branduolių sintezės energija veiktų komerciniais tikslais, inžinieriai turi sukurti tokamako indą, kuris metų metus išsilaikytų naudojant branduolių sintezei būtinomis sąlygomis.

Pirmiausia reikia atsižvelgti į divertoriaus sienelę. Nors kuro dalelės, pasiekusios divertorių, yra daug vėsesnės, jos vis tiek turi pakankamai energijos, kad atsitrenkusios į divertoriaus sienelės medžiagą išmuštų iš jos atomus.

Anksčiau JET divertoriaus sienelė buvo pagaminta iš grafito, tačiau grafitas sugeria ir sulaiko per daug kuro, kad jį būtų galima praktiškai naudoti.

Maždaug 2011 m. JET inžinieriai divertoriaus ir vidinio indo sieneles patobulino ir pagamino iš volframo. Volframas buvo pasirinktas iš dalies dėl to, kad jo lydymosi temperatūra yra aukščiausia iš visų metalų - tai itin svarbi savybė, kai divertoriui gali tekti patirti beveik 10 kartų didesnę šilumos apkrovą nei į Žemės atmosferą grįžtančio erdvėlaivio priekiniam kūgiui.

Vidinė tokamako indo sienelė iš grafito buvo pakeista į berilio. Berilis pasižymi puikiomis terminėmis ir mechaninėmis savybėmis branduolių sintezės reaktoriui - jis sugeria mažiau kuro nei grafitas, bet vis tiek gali atlaikyti aukštą temperatūrą.

Apie JET pagamintą energiją buvo rašoma pirmuosiuose laikraščių puslapiuose, tačiau mes teigiame, kad eksperimentas iš tiesų buvo įspūdingas dėl naujų sienelių medžiagų naudojimo, nes ateities prietaisams reikės tvirtesnių sienelių, kad jie galėtų veikti didele galia dar ilgesnį laiką.

JET yra sėkmingas koncepcijos įrodymas, kaip sukurti naujos kartos branduolių sintezės reaktorius.

Kiti branduolių sintezės reaktoriai

JET tokamakas yra didžiausias ir pažangiausias šiuo metu veikiantis magnetinės sintezės reaktorius. Tačiau jau kuriami naujos kartos reaktoriai, visų pirma ITER eksperimentas, kuris bus pradėtas eksploatuoti 2027 m.

ITER - lotyniškai tai reiškia "kelias" - statomas Prancūzijoje, jį finansuoja ir jam vadovauja tarptautinė organizacija, kuriai priklauso ir JAV.

ITER ketinama panaudoti daugelį medžiagų pažangos, kurią JET parodė kaip perspektyvią. Tačiau yra ir esminių skirtumų. Pirma, ITER yra didžiulis. Termobranduolinės sintezės kamera yra 37 pėdų (11,4 m) aukščio ir 63 pėdų (19,4 m) pločio - daugiau nei aštuonis kartus didesnė nei JET.

Be to, ITER bus naudojami superlaidūs magnetai, kurie, palyginti su JET magnetais, gali sukurti stipresnius magnetinius laukus ilgesniam laikui. Tikimasi, kad atlikus šiuos patobulinimus ITER pagerins JET branduolių sintezės rekordus - tiek energijos išeigos, tiek reakcijos trukmės.

Be to, tikimasi, kad ITER pavyks pasiekti svarbiausią branduolių sintezės jėgainės idėją - pagaminti daugiau energijos, nei jos reikia kurui pašildyti. Modeliuose numatoma, kad ITER 400 sekundžių nepertraukiamai gamins apie 500 megavatų energijos, o kurui šildyti sunaudos tik 50 MW energijos.

Tai reiškia, kad reaktorius pagamina 10 kartų daugiau energijos, nei jos sunaudoja - tai didžiulis patobulinimas, palyginti su reaktoriumi JET, kuriam kurui pašildyti reikėjo maždaug tris kartus daugiau energijos, nei buvo pagaminta neseniai pasiektam 59 megadžaulų rekordui.

Neseniai pasiektas JET rekordas parodė, kad ilgamečiai plazmos fizikos ir medžiagų mokslo tyrimai pasiteisino ir mokslininkai priartėjo prie branduolių sintezės panaudojimo energijos gamybai. ITER taps didžiuliu šuoliu į priekį siekiant pramoninio masto branduolių sintezės elektrinių tikslo.The Conversation

Davidas Donovanas, Tenesio universiteto Branduolinės inžinerijos docentas, ir Livia Casali, Tenesio universiteto Branduolinės inžinerijos docentė.

Šis straipsnis perspausdintas iš "The Conversation" pagal "Creative Commons" licenciją. Skaityti originalų straipsnį.