Mokslo ir technologijų pasaulis

Termobranduolinės reakcijos energetikoje panašėja į „šventąjį gralį“ – niekaip nepasiekiama realybė, galėsianti panaikinti švarios energijos trūkumą. Kol kas viskas priklauso nuo fizikų "sėkmių bei nesėkmių" tiriant sintezės reakcijų valdymo ir žadinimo galimybes.

Mažiau fizika besidomintiems skaitytojams priminsime, jog termobranduolinė reakcija – tai lengvųjų branduolių susijungimas (sintezė) į sunkesnius branduolius, vykstanti labai aukštoje temperatūroje. Pavyzdžiui, jungiantis vandenilio izotopams (pats vandenilis netinka, nes neturi neutronų) deuteriui ir tričiui, atsiranda helio branduolys ir išlaisvindami didelės energijos neutronai – reakcijos metu iš viso išsiskiria apie 17,6 MeV energijos.

Jei išlaisvintųjų neutronų greitį pavyktų sumažinti, jų energiją galima saugiai panaudoti, pavyzdžiui, garų turbinoje, kuri švariai ir efektyviai gamintų elektrą. Taigi, deuterio ir tričio termobranduolinė sintezė yra labai perspektyvi ateities energetikos rūšis. Tuo labiau, jog reakcijos metu išsiskiria ne tik didžiuliai energijos kiekiai ir praktiškai nesusidaro radioaktyvių atliekų, bet ir pačių reakcijoje dalyvaujančių medžiagų gamtoje yra labai daug - deuterį galima lengvai atskirti nuo paprasto vandenilio - pavyzdžiui, vandenynai yra milžiniškas deuterio rezervuaras (mokslininkų skaičiavimais, 6000 vandenilio atomų tenka vidutiniškai 1 deuterio atomas). Tiesa, reakcijai reikalingas tritis gamtoje nerandamas, bet jį galima gauti branduoliniuose reaktoriuose, apšvitinant ličio branduolius neutronais.

Nežiūrint perspektyvos, termobranduolinės reakcijos turi daug neišspręstų problemų. Pirma, branduoliai gali susijungti tik suartėję iki 10^-14 m. Tačiau tarp teigiamą krūvį turinčių branduolių veikia elektrostatinės stūmos jėgos (Kulono jėgos), todėl, norint juos suartinti minėtu atstumu, reikia lengviesiems branduoliams suteikti didelę kinetinę energiją, t.y. pagreitinti juos tiek, kad nugalėtų elektrostatinės stūmos jėgos. Paprastai tai pasiekiama, įkaitinus medžiagas iki keliasdešimt milijonų kelvinų temperatūros. Štai todėl ir pačios branduolių sintezės reakcijos vadinamos termobranduolinėmis (nuo graikų kalbos žodžio thermos – šiltas).

Tokios sąlygos egzistuoja Saulėje ir kitose žvaigždėse. Saulės ir žvaigždžių spinduliuojama energija – ten vykstančių termobranduolinių reakcijų išdava. Pavyzdžiui, Saulės centre temperatūra siekia 13 mln. kelvinų. Žemėje kol kas įvykdoma tik nevaldoma branduolių sintezės reakcija vandenilinėje bomboje. Aukšta temperatūra pasiekiama sprogus įprastinei atominei bombai joje. Deuterio ir tričio mišinys patalpinamas viename apvalkale su atomine bomba. Sprogus atominei bombai, temperatūra pakyla iki keleto dešimčių milijonų laipsnių. Tokioje temperatūroje prasideda deuterio ir tričio branduolių sintezės į helio branduolius termobranduolinė reakcija.

Tiesa, reikiamas temperatūras galima pasiekti ir laboratorinėmis sąlygomis, tačiau čia iškyla dar viena problema - tokioje temperatūroje dujų atomai yra pilnai jonizuoti ir medžiaga yra virtusi plazma. O plazmos taip paprastai nesuvaldysi – tą galima padaryti tik su galingu magnetiniu lauku.

Štai čia ir vyksta pagrindiniai fizikos mokslo tyrimai, skirti termobranduolinių reakcijų įvaldymui. Yra bent keli variantai, kaip galima sukurti reikiamo stiprumo kitokių parametrų elektromagnetinius laukus, tačiau kuris iš šių būdų pasiteisins ateityje – kol kas visiškai neaišku. Garsiausias tam tikslui naudojamas įrenginys ir tokamakas - tai riestainio formos magnetas, skirtas plazmos sulaikymui. Tokamakus plazmos valdymui turėtų naudoti eksperimentinis ITER reaktorius, tiesa jo likimas labai jau neaiškus.

Yra ir alternatyvių pasiūlymų tokamakui – vieną iš jų yra pasiūlę kanadiečiai (pasak jų, tokia alternatyva leistų gerokai sumažinti finansinius termobranduolinių reaktorių kaštus), taip pat galima naudoti ir stelatorius. 

Dar vieną galimybę šiomis dienomis pristatė JAV fizikai, vykdę eksperimentą, pavadintą Levitated Dipole Experiment – LDX. Tai galima išversti kaip levituojančio dipolio eksperimentas. Mokslininkai ketino patikrinti teorines žinias kaip plazma sąveikauja su planetos magnetiniais laukais. Tam jie panaudojo superlaidų magnetą, pakibusio erdvėje virš kito magneto – taip suformuotas magnetinis laukas, kurio struktūra labai panaši į Žemės magnetinį lauką. Viršutinio magneto levitacija padeda apsaugoti sukuriamą magnetinį lauką nuo formos iškraipymų.

Aplink magnetus yra išorinė kamera, kurioje iki 10 milijonų laipsnių Celsijaus įkaitinama plazma. Taigi, skirtingai nuo kitų įrenginių, šiuo atveju plazmos srautas yra ne magnetinio lauko viduje, o išorėje. Toks magnetinio lauko išdėstymas sukurią jėgą, spaudžiančią plazmos srautą į vientisą tūrį. Tuo tarpu kitokios konstrukcijos įrenginių formuojamas magnetinis laukas plazmos srautą plečia į šalis. Panašią plazmos „koncentraciją“ astronomai stebi Žemės ir Jupiterio magnetosferoje.

Nežiūrint sėkmingų bandymų su plazma, pačios termobranduolinės reakcijos paliesti kol kas nepavyko. Be to, tolesniems eksperimentams reikia sukurti daug tikslesnę plazmos temperatūrų matavimo sistemą – tai labai jautrus parametras norint sėkmingai paleisti termobranduolinę reakciją.