La atominė energija dešimtmečius vaidino lemiamą vaidmenį pasaulio energijos tiekime. Tačiau energija, gauta iš branduolio sintezė žada dar reikšmingesnius energetikos kraštovaizdžio pokyčius, siūlančius praktiškai neišsenkamus išteklius su minimaliu radioaktyviųjų atliekų išmetimu. Nepaisant savo potencialo, šis fantastiškas procesas vis dar vystomas, atsižvelgiant į tai, kad technologiniai ir ekonominiai sunkumai nėra maži. Tai iššūkis, kurį mokslininkai visame pasaulyje nuolat tiria, kad vieną dieną branduolių sintezė taptų realybe kaip stabilus komercinis energijos šaltinis.
Šiame straipsnyje mes gilinsimės į tai, kas yra branduolių sintezė, jos naudą, iššūkius norint tapti komerciniu šaltiniu ir svarbą pasaulinei energetikos ateičiai.
Kas yra branduolio sintezė?
Branduolio sintezė yra kitoks procesas nei branduolio dalijimasis, kuris yra dabartinėse atominėse elektrinėse naudojamas mechanizmas. Nors dalijimasis apima sunkiųjų atomų, tokių kaip uranas ir plutonis, padalijimą, sintezė apima lengvesnių branduolių, pavyzdžiui, vandenilio atomų, sujungimą, kad susidarytų sunkesnis, stabilesnis. Šios sąjungos rezultatas išskiria daug energijos šilumos pavidalu.
Iki šiol labiausiai įmanomas procesas yra deuterio ir tričio, dviejų vandenilio izotopų, susiliejimas, kad susidarytų helis. Šios reakcijos metu taip pat išsiskiria dalelės, tokios kaip neutronai. Deuterio ir tričio sintezės atveju kiekvienai sintezės reakcijai išsiskiria 17.6 MeV (milijonai elektronų voltų). Ši energija yra daug didesnė nei ta, kuri gaunama dalijantis branduoliui.
Vienas iš pagrindinių branduolių sintezės privalumų yra tai, kad deuteris gali būti išgaunamas iš jūros vandens, todėl kuro tiekimo požiūriu jis beveik neribojamas. Kita vertus, tritis, nors ir ne toks gausus kaip deuteris, gali būti generuojamas pačiuose branduolių sintezės reaktoriuose, bombarduojant litį neutronais.
Kaip vyksta branduolio sintezė?
Norint pasiekti branduolių sintezę Žemėje, reikia atkurti ekstremalias sąlygas, panašias į tas, kurios susidaro žvaigždžių šerdyje. Kad atomų branduoliai susilietų, jie turi įveikti natūralų elektrostatinį atstūmimą tarp jų ir, kad tai padarytų, turi pasiekti milijonų laipsnių Celsijaus temperatūrą.
Eksperimentiniuose reaktoriuose, tokiuose kaip Tokamaks ir Stellarators, atomai įkaitinami iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių, kad būtų sukurta pakankamai greičio ir energijos, kad branduoliai pakankamai arti vienas kito ir susilietų. Esant tokioms temperatūroms, medžiaga nebėra kietos, skystos ar dujinės būsenos, o plazminės būsenos – jonizuotos įkrautų dalelių dujos.
Pagrindinė sintezės problema yra ta, kad Žemėje nėra medžiagos, kuri neištirptų atlaikytų tokias aukštas temperatūras. Todėl sintezės reaktoriuose plazma turi būti apribota galingais magnetiniais laukais, neleidžiančiais jai liestis su reaktoriaus sienelėmis. Tai yra požiūris į magnetinį uždarymą, kurį sudaro plazmos laikymas toroidinėje (žiedo formos) geometrijoje, naudojant superlaidžius magnetus.
Kitas būdas yra inercinis uždarymas, kai lazeriai arba dalelių pluoštai yra naudojami mažoms deuterio-tričio kapsulėms suspausti iki itin didelio tankio, todėl dalelės susilieja nespėjus išsiplėsti. Ryškus šio požiūrio pavyzdys yra Nacionalinė uždegimo priemonė (NIF) Jungtinėse Valstijose, pasiekusi svarbių inercinės sintezės tyrimų etapų.
Mokslinės izoliavimo strategijos
Yra du pagrindiniai būdai, kaip pasiekti kontroliuojamą branduolių sintezę: magnetinis uždarymas ir inercinis uždarymas.
Magnetinis uždarymas: Šis metodas pagrįstas galingų magnetinių laukų naudojimu karštai plazmai laikyti. reaktoriuje tokamakasPavyzdžiui, toroido formos magnetai yra atsakingi už tai, kad plazma būtų toliau nuo reaktoriaus sienelių, todėl sintezės procesas vyks be plazmos per greito aušinimo.
Vienas iš didžiausių iššūkių, susijusių su šia technika, yra tai, kad tik dalis plazmoje esančių dalelių sugeba susilieti. Kad sintezė būtų ekonomiškai perspektyvi, turi būti pasiektas daugiau nei 50% plazmos efektyvumas, žinomas kaip Lawsono kriterijus. Nors Saulė dėl didžiulės masės naudoja gravitacinį uždarumą, Žemėje mes negalime atkartoti tų slėgių, todėl turime pasiekti daug aukštesnę temperatūrą.
Inercinis uždarymas: Vietoj to, kad plazmoje būtų magnetiniai laukai, inercinis uždarymas siūlo deuterio ir tričio kapsulėms suspausti naudoti lazerius arba dalelių pluoštus. Idėja yra ta, kad suspaudžiant šias kapsules iki ypač didelio tankio ir greitai jas kaitinant, suliejimas suaktyvinamas prieš dalelėms pajudant per daug.
Abu metodai turi savo privalumų ir trūkumų, todėl mokslininkai toliau tiria, kuris metodas sintezės reaktorius padarys komerciškai perspektyvius.
Kada tai bus komerciškai perspektyvu?
Nepaisant pastaraisiais dešimtmečiais padarytos pažangos, branduolių sintezei dar reikia kelių dešimtmečių, kad ji būtų komerciškai perspektyvi. Apskaičiuota, kad pirmuosius komercinius branduolių sintezės reaktorius būtų galima pamatyti maždaug 2050 m., nors ši data daugiausia priklauso nuo technologijų pažangos ir nuolatinio mokslinių tyrimų finansavimo.
Tačiau vienas iš perspektyviausių projektų yra ITER (Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius), tarptautinės pastangos, kuriomis siekiama įrodyti technines ir mokslines branduolių sintezės galimybes naudojant magnetinį uždarymą. Jei ITER bandymai bus sėkmingi, tikimasi, kad tai padės sukurti komercinius branduolių sintezės reaktorius.
Kitas svarbus žingsnis buvo plėtra aukštos temperatūros superlaidininkai sintezės reaktoriuose naudojamiems magnetams. MIT mokslininkai sukūrė superlaidų magnetą, kuris generuoja daug galingesnius magnetinius laukus nei tradiciniai magnetai, sunaudoja daug mažiau energijos. Remiantis tyrimais, ši technologija gali sumažinti branduolių sintezės reaktorių kainą 40 kartų, todėl komercinė branduolių sintezė būtų ne tik perspektyvi, bet ir potencialiai konkurencinga sąnaudų atžvilgiu.
Kad sintezė taptų realybe, reikalingas ne tik mokslinis proveržis, bet ir platesnis tarptautinis bendradarbiavimas bei politinis ir finansinis įsipareigojimas remti ilgalaikius mokslinius tyrimus. Sintezija gali būti švarus, saugus ir beveik neribotas energijos šaltinis, tačiau tam reikia ilgalaikių investicijų ir pasauliniu mastu koordinuotų pastangų.
Branduolinė sintezė yra didžiulis energijos pažadas, kuris padės išspręsti daugelį mūsų civilizacijos problemų, susijusių su tvarumu ir energetiniu saugumu. Tačiau moksliniai, techniniai ir logistiniai iššūkiai, su kuriais susiduria ši technologija, yra didžiuliai. Vykstant tyrimams tikimasi, kad per ateinančius dešimtmečius sintezė pagaliau iš laboratorijos gali tapti pasaulio energijos tiekimo dalimi.