Ar įmanoma Žemėje įžiebti dirbtinę Saulę? Tokiam eksperimentui ruošiasi mokslininkai, Pietų Prancūzijoje statantys didžiausią pasaulyje branduolių sintezės reaktorių. Inžinerijos stebuklu vadinamu „ITER“ projektu siekiama Žemėje užkurti Saulėje vykstančias chemines reakcijas ir tokiu būdu gauti ilgalaikį švarios energijos šaltinį.
Ar įmanoma Žemėje įžiebti dirbtinę Saulę? Tokiam eksperimentui ruošiasi mokslininkai, Pietų Prancūzijoje statantys didžiausią pasaulyje branduolių sintezės reaktorių. Inžinerijos stebuklu vadinamu „ITER“ projektu siekiama Žemėje užkurti Saulėje vykstančias chemines reakcijas ir tokiu būdu gauti ilgalaikį švarios energijos šaltinį.
Fotografija iš ITER.org
Nauja technologija
Lietuvos energetikos instituto (LEI) vyriausiojo mokslo darbuotojo dr. Egidijaus Urbonavičiaus teigimu, lyginant su kitais energijos gamybos būdais, branduolių sintezė yra švaresnė ir saugesnė, nes jos reakcijos produktas yra neradioaktyvus helis, o į aplinką neišmetama CO2 ar kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų.
„Branduolių sintezė yra dviejų lengvų branduolių susiliejimas į vieną, sunkesnį. Šiam procesui įvykdyti reikalinga labai didelė energija, tačiau įvykus reakcijai, išsiskiria dar didesni energijos kiekiai, nei reikėjo sintezei prasidėti. Ši reakcija savaime vyksta žvaigždėse, jos dėka Saulė spinduliuoja energiją, kurios dalis šildo mūsų Žemę ir palaiko joje gyvybę – paaiškino jis. – Šiuo metu Prancūzijoje statomu eksperimentiniu „ITER“ reaktoriumi mokslininkai nori įrodyti, kad įmanoma įžiebti Saulę Žemėje, ir iš branduolių sintezės atgauti daugiau energijos negu jos yra investuojama į reakciją. Išbandžius reaktorių, vėliau bus statoma reali branduolių sintezės elektrinė, kuri jau gamins elektrą ir ją tieks į tinklą. „ITER“ reaktorius yra vienas iš paskutinių žingsnių, siekiant sukurti ir rinkai pritaikyti šią naują technologiją.“
Sudėtingiausias istorijoje
ITER reaktorius. Fotografija iš ITER.org
Pasak dr. E. Urbonavičiaus, savo sudėtingumu „ITER“ projektą galima prilyginti žmogaus išsiuntimui į kosmosą. 23 tūkst. tonų sversiantis reaktorius yra pats sudėtingiausias statinys žmonijos istorijoje. Iš devynių nerūdijančio plieno sektorių bus surinktas didžiulis sandarus vakuuminis indas, o jo viduje įžiebta dirbtinė Saulė. Tam, kad branduolių sintezės reakcija įvyktų, didelis kiekis vandenilio izotopų – tričio ir deuterio – bus kaitinami 150 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūros plazmoje. Tai – dešimt kartų karščiau nei Saulės branduolyje. Kuo didesnė temperatūra, tuo didesnis dalelių judėjimas, tad susidūrę tričio ir deuterio branduoliai susijungs į vieną, ir virs heliu, išspinduliuodami daug energijos. Siekiama tokiu būdu atgauti net dešimt kartų daugiau energijos nei buvo įdėta į reakciją.
„Tiek tričio, tiek deuterio branduoliai yra teigiami. Kaip žinia, teigiamos dalelės viena kitą stumia, tad norint, kad du tokie branduoliai susilietų, reikia sukurti sąlygas, kuriose būtų nugalėtos stūmos jėgos. Todėl reaktoriuje branduoliai plazmoje judės labai dideliu greičiu, didelėje temperatūroje – paaiškino dr. E. Urbonavičius. – Žvaigždėse ši reakcija vyksta natūraliai, nes gravitacijos laukai spaudžia daleles į tokią tankią būseną, kurioje stūmos jėgos nugalimos, ir branduoliai tiesiog suliejami vienas į kitą. Žemėje negalime sukurti tokių galingų gravitacinių laukų, tad dalelės inde bus laikomos magnetų pagalba, kurie neleis joms pabėgti už ribų.“
Dr. E. Urbonavičius pastebi, kad Žemėje nėra tokios medžiagos, kuri galėtų atlaikyti 150 milijonų Celsijaus laipsnių temperatūrą. Todėl reaktoriuje iki pragariško karščio įkaitinta plazma turės levituoti – magnetiniai laukai stums ją nuo reaktoriaus sienelės, kad prie jos neprisiliestų ir neišlydytų.
Netrūksta iššūkių
Tokie reaktoriai kaip „ITER“ vadinami tokamakais. Tai – į apvalius riestainius panašūs įrenginiai, kuriuose naudojami labai stiprūs magnetiniai laukai, neleidžiantys plazmai su deuterio ir tričio branduoliais patekti į aplinką. Pasak dr. E. Urbonavičiaus, visa tai įgyvendinti yra išties sudėtinga.
Fotografija iš ITER.org
„Iššūkių kelia faktas, kad vakuuminio indo viduje turime 150 milijonų Celsijaus laipsnių temperatūrą, o tam, kad veiktų magnetai, juos reikia ataušinti iki 4 kelvinų (-269.15 °C). Dėl didžiulių temperatūrų skirtumų naudojamos išties kompleksiškos technologijos – atskleidė mokslininkas. – Reaktoriui reikalingi komponentai atgabenami iš įvairių pasaulio šalių, o tai reikalauja ypatingo tikslumo, kadangi iš bet kurios valstybės atvykusi įranga turi sutapti milimetrais. Iš Kinijos, Japonijos, JAV ir kitų šalių atkeliaujantys komponentai atgabenami į uostą, o tada vežami į „ITER“ statybos aikštelę. Jei detalė yra labai didelė, ji gabenama naktį, kad netektų stabdyti eismo. Kai kur net reikėjo specialiai paruošti kelius, juos sutvirtinti, prakasti ar išlyginti, kad technika galėtų būti sėkmingai pristatyta. Komponentai, kurie yra tokie dideli, kad jų negalima vežti, buvo gaminami vietoje.“
Pasak pašnekovo, kadangi projektas yra labai sudėtingas, nuo pat pradžių jį įgyvendinant kilo daug iššūkių ir netikėtumų. Kuriama visiškai nauja technologija, kurios iki šiol nebuvo, tad neišvengiama klaidų. Pavyzdžiui, buvo planuota, kad vakuuminio indo sektoriai tarpusavyje bus suvirinti automatinio virinimo robotų pagalba. Tačiau komponentams atkeliavus į vietą, pastebėta, kad gamybos nuokrypiai yra per dideli, jog būtų galima užtikrinti automatinio suvirinimo kokybę, todėl sektorius teko koreguoti. Pasitaikė ir situacija, kai jau sumontuotą komponentą teko išmontuoti, nes pastebėta metalo korozija. Išanalizavus priežastis, komponentas buvo sutvarkytas ir grąžintas į vietą.
Saugiau nei atominė energija
„ITER“ projekte dirba mokslininkai iš 35 pasaulio šalių. Eksperimentinį reaktorių planuojama užbaigti 2035 m. Jį išbandžius, vėliau ketinama statyti realią branduolių sintezės elektrinę. Pasak dr. E. Urbonavičiaus, tokia elektrinė būtų saugesnė už šiuo metu paplitusias atomines elektrines.
„Atominėse elektrinėse skaldomi sunkūs branduoliai, o šio proceso metu sukuriama visa grandinė naujų radioaktyvių medžiagų. Branduolinis kuras šiose elektrinėse ilgą laiką išlieka karštas ir radioaktyvus. Jį reikia nuolat aušinti, nes perkaitus reaktoriui į aplinką gali pasklisti radioaktyvios medžiagos. Tuo tarpu branduolių sintezės reaktoriuose dėl menkiausių nukrypimų plazma užgęsta iš karto, branduolių sintezės reakcija nutrūksta, ir kuro aušinti nereikia. Svarbu ir tai, kad iš branduolių sintezės reakcijos nesusidaro radioaktyvios medžiagos, tik neradioaktyvus helis“, – paaiškino jis.
Dalyvauja ir Lietuva
Prie įspūdingo „ITER“ projekto netiesiogiai prisideda ir Lietuva. Mūsų šalies mokslininkai kartu su kitų Europos valstybių tyrėjais dalyvauja projekte „EUROfusion“, kurio tikslas – atlikti tyrimus ir pasiruošti būsimos branduolių sintezės elektrinės statybai, kuri pasaulį išvys jau po sėkmingų eksperimentinio reaktoriaus bandymų. Dr. E. Urbonavičius koordinuoja Lietuvos mokslininkų grupės darbą šiame projekte.
Simona Breidokaitė
Viena iš jaunų mokslininkių, dirbančių „EUROfusion“ projekte – LEI Branduolinių įrenginių saugos laboratorijos jaunesnioji mokslo darbuotoja Simona Breidokaitė. Mokslininkė modeliuoja „ITER“ įpėdinį – demonstracinę elektrinę DEMO, tapsiančia pirmąja Europoje demonstracine branduolinės sintezės jėgaine.
Pernai S. Breidokaitė pati apsilankė statomame „ITER“ reaktoriuje ir galėjo savo akimis pamatyti šį inžinerijos šedevrą. Anot jos, buvo išties neįtikėtina išvysti reaktoriaus tikrąjį mastą, kadangi iki tol buvo sunku suvokti, koks iš tikrųjų yra statinio dydis ir kompleksiškumas.
Galimybė prisidėti prie pokyčių
S. Breidokaitės teigimu, branduolių sintezė yra be galo įdomi sritis. Tad jaunus smalsius žmones, norinčius prisidėti prie globalių procesų, ji ragina nebijoti rinktis šios sferos.
„Mane žavi tai, kad su branduolių sinteze susijusios be galo daug skirtingų sričių. Reikalingi chemikai, inžinieriai, medžiagų mokslininkai, robotikos ar IT specialistai, matematikai, fizikai, netgi ekonomistai. Didelis privalumas yra tai, kad branduolių sintezė – dinamiška, nenuobodi ir labai plati sritis, kurioje gali dirbti įvairių sričių profesionalai. Vėliau savo sukauptas žinias galima pritaikyti kitur. Pavyzdžiui, galingi magnetiniai laukai pirmiausia buvo sukurti branduolių sintezei, o vėliau pritaikyti medicinoje magnetinio rezonanso tyrimams – atskleidė ji. – Deja, visame pasaulyje jauni žmonės vis mažiau renkasi STEM (mokslas, technologijos, inžinerija, matematika) specialybes. Greito rezultato norinčiai „TikToko“ kartai lėtas mokslo procesas neatrodo labai patrauklus. Tiesa, šiame kontekste išsiskiria Lietuva, kurioje šis skaičius auga. Be to, mūsų šalyje sparčiai daugėja moterų, kurios rinktųsi mokslininkių ar inžinierių kelią, šiuo rodikliu mes pirmaujame pasaulyje. Jaunoms merginoms išties nereikia bijoti – technologiniai ir inžineriniai mokslai suteikia puikias galimybes tyrinėti pasaulį ir prisidėti prie svarbių pokyčių.“
Žingeidžius jaunus specialistus, ieškančius naujų galimybių ir norinčius prisiliesti prie svarbių pasaulinių procesų, S. Breidokaitė skatina rinktis doktorantūros studijas energetikos ir termoinžinerijos srityje, ir savo darbu prisidėti sprendžiant globalias energetikos problemas.
