Tai bus bomba: Kaip startuoliai bando prijaukinti termobranduolinę energiją

Ne­se­niai vie­na itin slap­ta kom­pa­nija, „Tri Alpha Energy“, pa­skel­bė su­kū­ru­si įren­gi­nį, ku­riuo ga­li­ma kur­ti sta­bi­lų ~10 mln. laips­nių plaz­mos de­be­sį. To­kia tem­pe­ra­tū­ra bū­ti­na ter­mo­bran­duo­li­nėms reak­ci­joms, ta­čiau, dej­a, kol kas ne­pa­kan­ka­ma. Apie tai su­ži­no­ję, nu­ta­rė­me iš­si­aiš­kin­ti, ko­kios dar ne­di­de­lės pri­va­čios kom­pa­ni­jos da­ly­vau­ja ter­mo­bran­duo­li­nė­se lenk­ty­nė­se, ir ar turi jos ga­li­my­bių ap­lenk­ti ITER bei NIF gi­gan­tus.

Iš pradžių reikia išsiaiškinti, kas toji „valdoma termobranduolinė sintezė“ yra. Kaip ir bet kokios sintezės atveju, tai procesas, kai sumaišant du ar daugiau komponentų, gaunamas trečias. Pavyzdžiui, chemijoje, norint gauti vandenį, reikia sujungti deguonį ir vandenilį – be to, vykstant šiam procesui išsiskiria labai daug energijos – netgi pernelyg nesistengiant, gali įvykti sprogimas. Bet valdant vandenilio degimą, galima sudaryti stabilų, tolygiai šilumą skleidžiantį fakelą.

Termobranduolinės sintezės atveju vyksta atomų branduolių susiliejimas. Tam, kad šis procesas vyktų, reikia išpildyti kelias svarbias sąlygas. Pirmoji – nuo atomų pašalinti elektronų „žievę“, ir antroji – pasiekti tokią temperatūrą ir tankį, kad tarpusavyje susiduriantys atomų branduoliai galėtų susidurti vienas su kitu, nepaisant tarpusavio elektrostatinės stūmos. Įvykdžius šias sąlygas, gali prasidėti branduolių susiliejimo procesas, kuriam vykstant, kaip ir vandenilio reakcijos su deguonimi atveju, išsiskirs energija – tik nepalyginamai daugiau.

Pabandykime įvertinti temperatūras, kuriose gali vykti branduolių sintezė. Išnagrinėsime paprastą sistemą,kurioje susiduria deuterio (²H) ir tričio (³H) branduoliai (tai vandenilio izotopai, deuterio branduolyje vienas protonas ir vienas neutronas, tričio – vienas protonas ir du neutronai). Šie branduolių krūvis teigiamas, krūvio dydis lygus protono krūvio dydžiui.Kad branduoliai susilietų, būtina juos suartinti iki maždaug branduolio dydžio atstumo – tada elektrostatinė stūma (vienodi krūviai vienas kitą stumia) tarp jų taps silpnesnė už stipriąją sąveiką, siekiančią branduolius sujungti.

Tad, dviejų dalelių suartinimui mums reikia atlikti darbą prieš elektrines jėgas – tai ir bus energija, kurią galima suskaičiuoti pagal mokyklinės fizikos formules.

Įstatykime į formulę reikalingus dydžius:

    Branduolio krūvis q – 1,6·10⁻¹⁹ C (kulonas).
    Kulono konstanta k – 9·10⁹ m/F (faradų metre)
    Atstumas r, lygus branduolio dydžiui – 10⁻¹⁴ m (10 femtometrų)

Gauname maždaug 2,3·10⁻¹⁴ J (džaulių) energiją. Šią energiją galima gauti iš branduolio kinetinės energijos, kuri priklauso nuo jo judėjimo greičio. Kuo karštesnė plazma, kurioje yra branduoliai, tuo jų kinetinė energija didesnė.

    Ekin=3⁄2kТ, kur k – Bolcmano konstanta, 1,38·10⁻²³ J/K

Atlikę reikalingus pertvarkymus gauname, kad norint, jog termobranduolinė sintezė prasidėtų bent su puse plazmos atomų, jos temperatūra turėtų siekti maždaug milijardą kelvinų. Tokiame fone „Tri Alpha Energy“ pasiekimas neatrodo toks jau rimtas. Iš tiesų tokiai termobranduolinei sintezei pakanka kiek žemesnės temperatūros – maždaug dešimt kartų. Tai susiję su tuo, kad reakcijos paleidimui pakanka, kad gan nedaug dalelių turėtų reikiamą energiją – mažiau, nei pusė. Priminime, kad dujose visų dalelių greičiai nėra lygūs – kai kurių jų greitis didesnis už vidutinį, kai kurių – mažesnis.

Pažymėsime dar vieną svarbų momentą: Saulėje termobranduolinė sintezė vyksta daug žemesnėje, nei šimtai milijonų laipsnių temperatūroje, – Saulės branduolio temperatūra yra apie 13,5 milijonų kelvinų. Bet žvaigždėse reakcijų mechanizmas kiek kitoks, o būtent, juose vyksta branduolių tuneliavimas per Kulono barjerą. Be to, jei plazmos debesyje pusės dalelių energija būtų tinkama termobranduolinei reakcijai, tai pati sintezė įvyktų praktiškai išsyk..

Reaktoriuose svarbūs ir kiti parametrai, susiję su medžiagos būsena, o būtent, plazmos išlaikymo laiku ir dalelių koncentracija joje. Kad būtų palaikoma sintezės reakcija, šie dydžiai, vadinamasis Lawsono kriterijus, privalo viršyti tam tikrą, gan aukštą, kritinę reikšmę.

Iš šių aritmetinių paskaičiavimų kyla elementari išvada: viena iš pagrindinių termobranduolinės sintezės problemų – medžiagos įkaitinimas iki tokių aukštų temperatūrų ir jos išlaikymas. Tada atomai visiškai praranda elektronų apvalkalų ir medžiaga tampa plazma, sudaryta tik iš elektringų dalelių. Pasinaudodami šia plazmos savybe, fizikai išmoko išlaikyti ją specialiuose įrenginiuose – tokamakuose. Juos, beje, sukūrė sovietų fizikai, Igoris Tamas ir Andrejus Sacharovas.

Tokamakai primena didžiulius tuščiavidurius riestainius, apsuptus daugybe elektromagnetų. Kiekvienas jų prisideda [prie plazmos įkaitinimo ir išlaikymo – taip, tarkime, centrinis solenoidas (iš esmės, indukcinė ritė) veikia kaip pirminė transformatoriaus apvija. Kai joje atsiranda kintamoji srovė, savo ruožtu, ji atsiranda ir plazmos žiede – vyksta jos kaitinimas elektros nuostoliais. Lygiai taip pat, perduodant kintamąją srovę iš vienos ritės į kitą, kurioje yra kitas apvijų skaičius, transformatoriuose auginama arba žeminama įtampa. Kitomis ritėmis – toroidinės vakuuminės tokamako kameros apvijomis (gaubiančios kamerą panašiai, kaip dviračio padangos) valdomas plazmą laikantis magnetinis laukas.

Tokamakas ©Wikimedia Commons

Tokamako principu veiks vienas iš stambiausių termobranduolinės sintezės projektų – ITER. Jame bus kuriama deuterio tričio plazma, kurioje reakcija gali prasidėti jau šimtų milijonų kelvinų temperatūroje. Vykstant reakcijai, deuterio ir tričio branduoliai susilieja į alfa daleles, išmesdami „atliekamą“ neutroną ir išskirdami ~17,6 MeV (megaelektronvoltų) energijos (~2,8·10⁻¹²J). Šį dydį galima palyginti su vandenilio degimo reakcijos šiluma: sudegus dviems gramams dujų, išsiskiria apie 200-250 kJ šilumos. Susijungiant tiems patiems dviems gramams deuterio, išsiskiria 1 600 000 000 kJ šilumos. Tiek energijos sunaudoja visas pasaulis kiek trumpiau, nei per sekundę.

Tačiau tokamakai atspindi tik būdą, kuriuo energijos generavimas vyksta santykinai tolygiai. Yra ir kitas stambus projektas, NIF (Nacionalinis lazerinių termobranduolinių reakcijų kompleksas), kuriame vykdoma pulsinė termobranduolinė sintezė. Čia deuterio ir tričio mišinys įkaitinamas 192 lazeriais, kurių bendra galia – 0,5 PW (petavatas – 10¹⁵ W). Lazeriai leidžia trumpus, trunkančius vos pikosekundę, lazerių impulsus į auksinį holraumą – tuščiavidurį cilindrą, kuriame yra ampulė su mišiniu. Dėl to ji staigiai išgaruoja ir plazma įkaista, o per tą laiką spėja įvykti reakcija. Beje, pernai NIF pavyko iš kuro degimo gauti daugiau energijos, nei buvo sunaudota jo įkaitinimui. Pažymėsime, kad projektas finansuojamas iš JAV biudžeto – jis nėra tarptautinis.

Tačiau grįžkime prie energijos išsiskyrimo termobranduolinių reakcijų metu. Nesunku suskaičiuoti, kad tos pačios energijos iš dviejų gramų deuterio (0,4 GWh) per aksi užtektų nedidelio miesto aprūpinimui elektra visą parą. Gal tai ir yra priežastis, dėl kurios privačios kompanijos ir susidomėjo tokios sudėtingos inžinerinės užduoties sprendimu.

„Tri Alpha Energy“

Startuolis, nuo kurio pradedame apžvalgą, – labai slapukaujanti kompanija, ji netgi neturi savo interneto svetainės. Tačiau termobranduolinį reaktorių kurianti mokslininkų grupė, savo tyrimų rezultatus ėmė publikuoti mokslo žurnaluose. Kitaip, nei tokamakas, „Tri Alpha Energy“ pasiūlytoji konstrukcija ištęsta, susideda iš dviejų plazmos šaltinių ir specialių dalelių įpurškimo prietaisų.

Dūmų ratilus primenantys plazmos debesėliai susiduria reaktoriuje milijonų kilometrų per valandą greičiu, taip suformuodami ištemptą toroidinę struktūrą, primenančią cigarą. Be išorinių elektromagnetų plazmos struktūros išlaikymui, dar naudojami ir neutralių dalelių šaltiniai, įpurškiantys jas debesies liestinės kryptimi. Technologijos autoriaus tvirtinimu, dalelės juda apie torą plačiomis orbitomis ir ir jį stabilizuoja.

Įrenginys naudoja vandenilio ir boro-11 plazmą, kas šį projektą smarkiai išskiria iš kitų. Kitaip, nei reakcijoje tarp deuterio ir tričio, susiliejant protonui ir borui, o taip pat vėlai skylant nestabilioms dalelėms, neišmetami neutronai. Tai itin svarbu, nes neutronai gali sukelti reaktoriaus sienelių radioaktyvumą ir jos sparčiau suyra. Tokio kuro pasirinkimo minusas – aukšta uždegimo temperatūra. Pagal aukščiau pateiktus skaičiavimus, gaunama 5 mlrd kelvinų temperatūra, autoriai išsikėlė trijų milijardų kelvinų tikslą.

Kol kas įrenginiu galima sukurti stabilų 10 milijonų laipsnių plazmos debesį. Po kitais metais numatytos rekonstrukcijos inžinieriai planuoja tobulinti savo pasiekimą iki 100 milijonų kelvinų.

Kompanija sukurta 1997 metais, jos technologijų pagrindas – Normano Rostokerio darbas. Per pirmuosius ketverius egzistavimo metus, po Rostokerio publikacijos, tyrėjai neatskleidė reaktoriaus detalių, tarp publikacijų pavyko rasti tik atsakymus į kritiką. 2002 metais žurnale „Physics of Plasmas“ pasirodė pirmasis straipsnis iš ciklo, aprašančio besisukančio plazmos debesies pusiausvyrą. Straipsnio autoriai yra Normanas Rostokeris ir Artanas Qerushi.

Tarp kompanijos investuotojų yra ir rizikos kapitalo fondas „Venrock Associates“, o taip pat bankas „Goldman Sachs“. Manoma, kad bendra investicijų suma viršija 140 milijonų dolerių. Beje, įdomi šios kompanijos direktorių taryba. Joje yra buvęs astronautas Buzzas Aldrinas, žurnalistas Frankas Braunas ir ROSNANO tarybos pirmininkas Anatolijus Čubaisas.

„Helion Energy“

Tiesioginis „Tri Alpha Energy“ konkurentas – amerikiečių startuolis „Helion Energy“, įgyvendinantis panašią technologiją, bet naudodamas deuterio ir helio-3 mišinį. Kompanijos kuriamame įrenginyje vyksta analogiškas plazmos debesų susidūrimas, tačiau jie susilietimo taške dar paveikiami galingais magnetais.

Kompanijos plazmos kaitinimo pasiekimai daug didesni – tyrėjams pavyko išlaikyti 50 milijonų kelvinų plazmą 1 milisekundę. Reikia paminėti, kad „Helion Energy“ nesiekia sukurti kuo didesnį įrenginį. Vietoje to tyrėjai tikisi sukurti mobilų reaktorių, kuris pagal inžinierių sumanymą, turėtų būti maždaug uosto konteinerio dydžio. Planuojamas galingumas – 50 MW.

Startuolis finansavimą gavo iš NASA, o taip pat pritraukė 1,5 milijono iš privačių investuotojų.

„General Fusion“

Kanados kompanija „General Fusion“ plazmos suspaudimo ir kaitinimo klausimą nutarė spręsti iš kitos, labiau „mechaninės“ pusės. Kompanijos kuriamas reaktorius yra sfera, kurios viduje nepertraukiamai sukasi keletas kubinių metrų išlydyto švino. Be to, prie pačios sferos prijungta iki šimtinės garo kūjų, sinchroniškai daužančių lydalą.

Besisukančiame švine yra nedidelis griovelis, kur įvedamas deuterio ir tričio mišinys, prieš tai įkaitintas iki beveik dviejų milijonų kelvinų. Dėl staigaus suspaudimo įvyksta minisprogimas ir išsiskiria daugiau nei 700 MJ šilumos. Pagal reaktoriaus kūrėjų sumanymą, sprogimai turėtų kartotis maždaug kas dvi sekundes.

Įrenginiu planuojama pasiekti didesnę, nei 6 milijonų kelvinų temperatūrą, o termobranduolinę reakciją skatins labai didelis plazmos tankis.

Kompaniją finansuoja rizikos kapitalo fondas „Chrysalix Energy“, o taip pat Kanados ir Malaizijos vyriausybės.

„Lockheed Martin“

Į valdomos termobranduolinės sintezės įgyvendinimo lenktynes įsijungė ir garsioji „Lockheed Martin“ bendrovė, užsiimanti aviacijos, raketų kūrimo sritimis ir gaunanti daugybę užsakymų iš JAV Gynybos ministerijos. Visų reaktoriaus sandaros smulkmenų kompanija neatskleidžia, tačiau žinoma, kad jis, kaip ir „Helion Energy“ įrenginys, bus pakankamai kompaktiškas, kad tilptų į krovininį konteinerį.

Pasak projekto vadovo, reaktoriuje naudojama plazmos išlaikymo magnetiniu veidrodžiu technologija. Ja galima atspindėti krūvį turinčias daleles iš stiprių laukų srities į silpno lauko sritis. Plazmos debesis yra toro formos.

Bandomasis įrenginys yra maždaug dviejų metrų ilgio ir metro pločio. Ji naudoja deuterio ir tričio mišinį. Kompanija reaktorių tikisi pastatyti per kitus penkerius metus, ir laukiamas jo galingumas bus ~100 MW.

„Lawrenceville Plasma Physics“

Paskutinė kompanija mūsų sąraše – „Lawrenceville Plasma Physics“, irgi iš JAV. Įdomu pažymėti, kad pirmuoju jos investuotoju tapo NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorija, o dalį pinigų kompanija rinko per minios finansavimo platformą. Kaip ir „Tri Alpha Energy“, LPP kuria reaktorių, naudojantį boro-11 ir vandenilio mišinį.

Įrenginio autoriai stengiasi fokusuoti plazmą dviem cilindriniais elektrodais, esančiais vienas kitame. Šiems elektrodams tiekiama kondensatorių baterijos iškrovos srovė, sukeliantį elektros lanko susidarymą. Elektros srovė aplinkines dujas paverčia į plazmą, kurios viduje atsiranda atskiros gijos, vėliau susiliejančios į vieną fokuso taške. Anot kūrėjų, taip susidaro plazmoidas – stipriai suspausta plazma, kurioje gali prasidėti termobranduolinė sintezė.

Šią technologiją kritikuoja mokslo bendruomenė, konkrečiai, plazmos fizikos ekspertas Mike'as Hopkinsas, tvirtina, kad autorių rodoma technologija niekuo nesiskiria nuo egzistuojančių plazmos fokusavimo įrenginių, kuriuose termobranduolinės reakcijos nevyksta.

Kritikos susilaukia ir kiti projektai, pavyzdžiui, „Lockheed“ įrenginys. Vienas iš kritikų argumentų – būtinybė superlaidžius magnetus laikyti arti plazmos – labai nedaug medžiagų galėtų atlaikyti reakcijos keliamą neutroninį bombardavimą. Dar fizikai nurodo detalių planuojamo reaktorius brėžinių nebuvimą, todėl įvertinti jo realistiškumą gan sunku.

Kaip ir visose žinių srityse, termobranduolinėje sintezėje yra savi „mokslininkai“, kuriantys mokslo žiniomis neparemtus aparatus. Garsus pavyzdys – Rossio katalizatorius, „leidžiantis“ gauti energiją iš šaltosios termobranduolinės sintezės, kurioje sąveikauja protonas ir nikelio atomas, sudarydami vario atomą. Kad tokia reakcija vyktų, reikia bent jau 20 mlrd K temperatūros (tuo galima lengvai įsitikinti, atlikus skaičiavimus) – tačiau Andrea Rossi tvirtina, kad jo katalizatorius sumažina temperatūrą iki tūkstančių kelvinų. Šio rezultato nepriklausoma mokslininkų grupė kol kas nepatikrino, tad kalbėti apie šį katalizatoių kaip apie realų fizinį reiškinį negalima.

Tuo pačiu kataliztoriaus idėja atrodo labai patraukli: egzistuoja daugybė medžiagų, gebančių paspartinti cheminių reakcijų veikimą. Taip, pavyzdžiui, ličio druskos spartina cukraus degimą, o amoniakas, gana plačiame temperatūrų ruože visai nereaguojantis su deguonimi, susilietęs su įkaitinta platinine vielute, dega.

Mokslininkai žino tokį termobranduolinės sintezės pavyzdį – miuonai. Tai elementariosios dalelės, sunkieji elektronų analogai. Jie geba tarpusavyje „suklijuoti“ branduolius, pažemindami elektrostatinės stūmos barjerą – naudojant juos, termobranduolinė sintezė vyktų daug žemesnėje temperatūroje, maždaug 30 mln K.

Miuonas, kaip ir cheminiai katalizatoriai, sudalyvavę vienoje reakcijoje, gali paspartinti ir kitą ir taip toliau. Maksimalus stebėtas vieno miuono nuosekliai sukeltų reakcijų skaičius ~100. Tačiau čia ir slypi pagrindinė miuoninio katalizatoriaus problema – vieno miuono sukūrimui reikia daug daugiau energijos, nei išsiskiria per branduolines reakcijas. Visgi, jei vienas miuonas galėtų sukelti apie 10 tūkstančių reakcijų, tai šis barjeras būtų įveiktas.

Kadangi yra startuolių, užsiimančių valdoma termobranduoline sinteze, galima vienu metu testuoti daug šio proceso vykdymo būdų. Tačiau, privačių projektų finansavimas paprastai nė iš tolo negali prilygti stambių tarptautinių eksperimentų finansavimui. Pavyzdžiui, ITER biudžetas viršija 20 mlrd dolerių, o dauguma šios srities startuolių tikisi investicijų, siekiančių iki 100-200 milijonų dolerių.

Užtat privačių kompanijų planų mastai kosminiai. Pavyzdžiui, „Tri Alpha Energy“ planuoja naudoti savo reaktorius kosminiuose aparatuose kaip variklius: iš reaktoriaus išlekiančios alfa dalelės turi didelį impulsą ir gali būti darbiniu kūnu, kaip kad inertinių dujų katijonai joniniuose varikliuose.