Termobranduolinės sintezės tyrėjai peržengė istorinį energijos slenkstį

Tyrėjai patvirtino, kad pirmą kartą Žemėje kontroliuojama termobranduolinės sintezės reakcija sukūrė daugiau energijos, nei reikia ją palaikyti. Šis eksperimentas yra didelis žingsnis link komercinės termobranduolinės sintezės, bet ekspertai įspėja, kad dar reikės nemažai inžinerinių pastangų padidinti efektyvumą ir sumažinti kaštus.

Gandai apie eksperimentą Lawrence Livermore nacionalinėje laboratorijoje (LLNL) Kalifornijojepasirodė gruodžio 11 d., bet formaliai naujienos paskelbtos šiandien, spaudos konferencijoje. Gruodžio 5 dieną National Ignition Facility (NIF) sintezės reaktorius sukūrė 3,15 megadžaulius iš 2,05 megadžaulio lazeriu perduotos energijos – gauta ~150% energijos. Tačiau tai gerokai mažiau, nei maždaug 300 megadžaulių, kuriuos lazeriai siurbia iš elektros tinklo.

Yra du pagrindiniai atsiperkančios termobranduolinės reakcijos pasiekimo metodai. Vienas – magnetiniu lauku išlaikoma plazma, kitas – naudojami lazeriai. NIF naudojamas antras metodas, vadinamas inercinio sulaikymo sinteze (inertial confinement fusion – ICF), kai lazeriais veikiama maža kapsulė su vandenilio kuru įkaista ir greitai plečiasi.

Taip sukuriama tokio paties dydžio tik priešingos krypties atatranka, kuri suspaudžia kurą. Tuomet vandenilio atomų branduoliai susilieja į sunkesnius elementus, o dalis jų masė išsiskiria, kaip energija – tas pats vyksta žvaigždėse.

Lig šiol visiems sintezės eksperimentams reikėjo daugiau energijos, nei išsiskirdavo. Šių metų rugpjūtį patvirtintas ankstesnis NIF rekordinis eksperimentas sugeneravo 72 procentus nuo energijos, gautos iš lazerių. Šiandienos pranešimu patvirtinama, kad tyrėjams ne tik pavyko pasiekti suteiktos ir gautos energijos lygybę, bet ir ją viršyti – jei nekreipsime dėmesio į patiems lazeriams veikti sunaudojamą. Spaudos konferencijoje, Jean-Michel Di-Nicola iš LLNL sakė, kad esant aukščiausiai galiai – kurią NIF pasiekia vos kelias nanosekundes – lazeriai naudoja 500 trilijonus vatų, o tai didesnė galia, nei viso JAV nacionalinio tinklo.

Baltųjų rūmų mokslo ir technologijų politikos direktorė Arati Prabhakar sakė, kad šis pasiekimas yra „pribloškiamas pavyzdys to, ką galima pasiekti atkaklumu“, ir kad šie rezultatai dar žingsniu priartina termobranduolinės sintezės panaudojimo įgyvendinimą.

„Šio tikslo siekė ne viena karta. Bendri tyrimai, sudėtingų inžinerijos sistemų kūrimas, mokymasis vienas iš kito – taip iš tiesų atliekami išties dideli ir sunkūs dalykai, ir tai – tiesiog puikus to pavyzdys,“ pastebėjo ji.

Jeremy Chittenden iš ICL vadina tai istoriniu sintezės tyrimų momentu. „Tai keliaženklis, kurį visa termobranduolinės sintezės klausimais užsiimanti mokslo bendruomenė stengėsi pasiekti 70 metų,“ pastebėjo Chittendenas. „Tai yra būdo esminis patvirtinimas, kurį ICF stengėsi pasiekti beveik 50 metų. Tai labai reikšminga.“

Dabar didžiuma investicijų sintezės srityje tenka alternatyviam magnetinio išlaikymo būdui, tokamakui. Greta Oksfordo, JK, esantis Joint European Torus (JET) reaktorius pradėjo veikti 1983. Kai veikia, jis yra karšiausias taškas Saulės sistemoje, temperatūra čia siekia 150 milijonų °C. Anksčiau šiais metais, JET reakciją palaikė 5 sekundes, sukurdamas rekordinius 59 megadžaulius šiluminės energijos.

Jo pamaina, dabar Prancūzijoje baigiamas statyti didesnis ir modernesnis Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (ITER) turėtų pradėti veikti 2025 m. Kitas tokio paties dizaino reaktorius, Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), neseniai sugebėjo išlaikyti reakciją 30 sekundžių didesnėje, nei 100 million°C temperatūroje.

LLNL direktorė Kim spaudos konferencijoje sakė, kad eksperimentą nušviečianti spaudos konferencija surengta vėliau, nes buvo pasitelkti trečios šalies ekspertai recenzuoti duomenis. Ji sakė, kad dabar patvirtinta, jog yra tikėtina lazerinę jėgainę sukonstruoti per „kelis dešimtmečius“, bet kad tokamakų reaktorių technologija yra brandesnė.

„Yra labai reikšmingų kliūčių, ne tik mokslinių, bet ir technologinių,“ dėstė ji. „Tai buvo viena kapsulė, vieną kartą, o norint komerciškai realizuoti termobranduolinės sintezės energiją, reikia gebėti kurti daugybę sintezės reakcijų per minutę, o tam reikia užtikrintos [lazerių] sistemos.“

Dabar NIF gali būti naudojama itin trumpai, po to reikia kelias valandas aušinti komponentus, kad būtų galima atlikti dar vieną bandymą. Naujų komercinių startuolių būdai gali būti geresni, sako Chittendenas.

„Jei ir toliau stengsimės tai atlikti masyviais, milijardus dolerių kainuosiančiais ir dešimtmečiais trunkančiais projektais, sintezės galime sulaukti pernelyg vėlai, kad ji kaip nors paveiktų klimato kaitą,“ pabrėžia Chittendenas. „Manau, iš tiesų reikia didesnės įvairovės, kad galėtume pabandyti surasti kažką, kam reikėtų mažesnių kapitalinių investicijų ir kas greičiau parodytų savo vertę, kad galėtume ką nors pasiekti per 10 ar 15 metų.“

Be neįkainuojamų duomenų praktinių reaktorių kūrimu užsiimantiems inžinieriams, NIF rezultatai gali paskatinti ir fizikos pažangą, nes šios reakcijos atrodo esančios dar intensyvesnės ir spartesnės, nei vykstančios Saulėje, ir labiau primena vykstančias supernovose, sako Chittendenas. „Anksčiau tokių ekstremalių slėgių, tankių ir temperatūrų laboratorijoje pasiekti negalėjome,“ sako jis. „Tai procesai, suteikiantys galimybę mus tirti, kad vyksta ekstremaliausiose visatos materijos būsenose.“

Gianluca Sarri iš Karalienė universiteto Belfaste sako, kad žinojimas, jog iš sintezės energiją išgauti galima, paskatins ir kitus tyrėjus.

„Dabar „tereikia“, – ir prašau nepraleisti pro akis uždėtų kabučių – tobulinti ir derinti techniką. Akivaizdu, turint omenyje techninius sunkumus, tai nenutiks rytoj. Iki reaktoriaus vis dar toli. Bet einame teisingu keliu“ sako jis. „Kalbant apie švarią energiją, šis [sintezės tyrimų] kelias, be abejonės, yra ambicingiausias, bet galiausiai duosiantis didžiausią grąžą, nes taip išgaunamos energijos kiekis yra potencialiai neribotas.“

Sarri sako intuityviai jaučiantis, kad pirmasis veikiantis reaktorius bus tokamako tipo, bet ICF tyrėjų vaidmuo tebėra gyvybiškai svarbus. „Turėtų būti vystomi abu būdai, nes jie teikia informacija vienas kitam. Tarp šių dviejų schemų vyksta informacijos mainai. Jų veikimas konceptualiai panašus.“ –pabrėžia jis.

Matthew Sparkes
www.newscientist.com