Ir zināms viens anekdots: kodolsintēze notiks pēc divdesmit gadiem. Vienmēr būs pēc divdesmit gadiem. Šis joks, kas tagad vairs nav smieklīgs, izauga no zinātnieku optimisma, kuri piecdesmitajos gados (un katrā nākamajā desmitgadē) uzskatīja, ka kodolsintēze notiek tikai 20 gadu laikā. Tagad šo anekdotu nopietni uztvēra jaundibināmais uzņēmums - MIT (Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta) dzimtā valoda, kas ir ļoti cienījama un slavena institūcija: Sadraudzības saplūšanas tehnoloģijas. Startēšanas laikā tiek solīts iedarbināt kodolsintēzes reaktoru 15 gadu laikā. Sola lētu, tīru un neierobežotu enerģiju, kas atrisinās visas fosilā kurināmā un klimata pārmaiņu krīzes. Viņi saka: "potenciāli neizsmeļams un oglekļa nesaturošs enerģijas avots."
Vienīgā problēma: mēs to jau esam dzirdējuši daudzas reizes. Kas šoreiz atšķiras?
Vēl viena slavena klišeja attiecas uz saplūšanas enerģiju. Ideja ir vienkārša: jūs ieliekat sauli pudelē. Atliek tikai uzcelt pudeli. Saplūšanas enerģija piešķir zvaigznēm spēku, taču plazmas darbībai nepieciešami neticami karsti un blīvi apstākļi.
Milzīgs enerģijas daudzums var izdalīties, ja saplūst divi gaismas kodoli: deitērija-tritija saplūšana, kas tiek veikta ITER eksperimentā, izstaro 17,6 MeV uz reakciju, miljons reizes vairāk enerģijas uz molekulu, nekā jūs saņemat no TNT eksplozijas. Bet, lai atbrīvotu šo enerģiju, jāpārvar spēcīga elektrostatiskā atgrūšanās starp kodoliem, kuri abi ir pozitīvi lādēti. Spēcīga mijiedarbība nelielos attālumos noved pie saplūšanas, kas atbrīvo visu šo enerģiju, bet kodoli ir jānovieto ļoti tuvu - femtometriem. Zvaigznēs tas notiek pats par sevi sakarā ar kolosālu gravitācijas spiedienu uz materiālu, bet uz Zemes tas ir grūtāk.
Vispirms jums jācenšas atrast materiālus, kas izdzīvos pēc temperatūras simtiem miljonu grādu pēc Celsija.
Plazmu veido uzlādētas daļiņas; matērija un elektroni tiek mazgāti. To var noturēt magnētiskais lauks, kas saliek plazmu aplī. Arī manipulācijas ar magnētisko lauku ļauj saspiest šo plazmu. Piecdesmitajos un sešdesmitajos gados parādījās vesela paaudze ierīču ar eksotiskiem nosaukumiem: Stellarator, Perhapsatron, Z-Pinch, kas tam paredzēta. Bet plazma, kuru viņi mēģināja turēt, bija nestabila. Plazma pati rada elektromagnētiskos laukus, to var raksturot ar ļoti sarežģītu magnetohidrodinamikas teoriju. Nelielas plazmas virsmas novirzes vai defekti ātri kļuva nekontrolējami. Īsāk sakot, ierīces nedarbojās kā paredzēts.
Padomju Savienība izstrādāja tokamaka ierīci, kas piedāvāja ievērojami uzlabotu veiktspēju. Tajā pašā laikā tika izgudrots lāzers, kas ļāva iegūt jaunu sintēzes veidu - sintēzi ar inerces ierobežošanu.
Šajā gadījumā vairs nav nepieciešams turēt plazmas degšanu magnētiskos laukos, tas ir nepieciešams īsā laikā saspiest ar sprādzienu, izmantojot lāzerus. Bet nestabilitāti cieta arī eksperimenti ar inerciālo norobežošanu. Tie darbojas kopš 70. gadiem un kādu dienu var nokļūt, taču lielākais līdz šim brīdim - Nacionālā aizdedzes laboratorija Livermore, Kalifornijā - nekad nav sasniedzis līdzsvara punktu, kur tiks saražots vairāk enerģijas nekā iztērēts.
Reklāmas video:
Liela daļa cerību ir uz ITER, pasaulē lielāko magnētiskās sadedzināšanas tokamaku, kas joprojām tiek izstrādāts.
Projekta izstrādātāji cer 20 minūšu laikā aizdedzināt plazmu, lai iegūtu 500 MW jaudu ar nominālo ieeju 50 MW. Pilni kodolsintēzes eksperimenti ir plānoti 2035. gadā, taču problēmas ar starptautisko sadarbību starp ASV, PSRS (toreiz vēl joprojām), Japānu un Eiropu izraisīja ilgstošu kavēšanos un budžeta izstiepšanu. Projekts ir novēlots 12 gadus un maksā 13 miljardus USD. Tas nav nekas neparasts projektiem, kuriem nepieciešams būvēt milzīgas instalācijas.
Saskaņā ar ITER plānu pirmajam kodoltermiskās kodolsintēzes reaktoram DEMO, kas darbosies kā elektrostacija, kas aizdedzina un atbalsta kodolsintēzi, vajadzētu sākt darboties 2040. gadā vai pat 2050. gadā. Citiem vārdiem sakot, kodolsintēze … notiks pēc divdesmit gadiem. Ir tendence risināt problēmas ar nestabilitāti, uzbūvējot arvien vairāk un vairāk iespēju. ITER būs lielāks nekā JET, un DEMO būs lielāks nekā ITER.
Gadu gaitā daudzas komandas ir izaicinājušas starptautisko sadarbību ar mazākiem dizainparaugiem. Jautājums nav par ātrumu, bet par praktiskumu. Ja kodolsintēzes reaktora uzbūve patiešām prasa miljardus dolāru un desmitiem gadu, vai tas vispār ir tā vērts? Kas maksās par būvniecību? Iespējams, līdz laikam, kad tiks uzbūvēts strādājošs tokamaks, saules paneļu un jauno akumulatoru kombinācija nodrošinās mums lētāku enerģiju nekā tā, kas izgatavota uz tokamaka. Daži projekti - pat bēdīgi slavenā "aukstā saplūšana" - izrādījās nepatiesi vai nedarbojās.
Citi ir pelnījuši lielāku uzmanību. Iesācēji ar jauniem kodolsintēzes reaktora projektiem - vai dažos gadījumos vecāku mēģinājumu pārskatītām versijām.
Tri Alfa sagaida, ka sadursies plazmas mākoņi struktūrā, kas atgādina Lielo hadronu sadursmi, un pēc tam kodolsintēzes plazmu noturēs magnētiskajā laukā pietiekami ilgi, lai izlīdzinātos un ģenerētu enerģiju. Viņiem izdevās sasniegt nepieciešamo temperatūru un plazmas norobežošanu dažās milisekundēs, kā arī tika piesaistīti vairāk nekā 500 miljoni USD riska kapitāla.
Lockheed Martin Skunk Works, kas pazīstams ar slepenajiem projektiem, 2013. gadā izteica plaisu, paziņojot, ka viņi strādā pie kompakta, 100 MW kodolsintēzes reaktora, kas ir reaktīvā dzinēja izmērs. Tajā laikā viņi paziņoja, ka prototips būs gatavs piecu gadu laikā. Protams, viņi neatklāja dizaina detaļas. 2016. gadā tika apstiprināts, ka projekts saņem finansējumu, taču daudzi jau ir zaudējuši ticību un ieguvuši skepsi.
Un uz visa šī apkaunojuma fona MIT zinātnieki uzsprāga gredzenā. Bobs Mumgaards, Sadraudzības kodolsintēzes enerģijas izpilddirektors, sacīja: “Mēs esam apņēmušies savlaicīgi iegūt darba vietu, lai cīnītos pret klimata izmaiņām. Mēs domājam, ka projekta zinātne, ātrums un mērogošana prasīs piecpadsmit gadus."
MIT jaunais projekts ievēro tokamaka dizainu, kā tas ir darīts iepriekš. Paredzams, ka SPARC ierīce radīs 100 MW enerģijas 10 sekunžu ieslodzījuma impulsos. Jau agrāk ir bijis iespējams iegūt enerģiju no impulsiem, taču līdzsvara punkts ir tas, kas patiešām piesaista zinātniekus.
Īpaša mērce šajā gadījumā ir jaunie augstas temperatūras supravadīšanas magnēti, kas izgatavoti no itrija-bārija-vara oksīda. Ņemot vērā to, ka HTSM var radīt jaudīgākus magnētiskos laukus tādā pašā temperatūrā kā parastie magnēti, var būt iespējams saspiest plazmu ar zemāku ieejas jaudu, zemāku magnētisko ierīci un sasniegt sintēzes apstākļus ierīcē, kas ir 65 reizes mazāka nekā ITER. Tas katrā ziņā ir plāns. Viņi cer nākamo trīs gadu laikā radīt supravadošus magnētus.
Zinātnieki ir optimistiski noskaņoti: “Mūsu stratēģija ir izmantot konservatīvu fiziku, kuras pamatā ir gadu desmitiem ilgs darbs MIT un citur,” sacīja MIT Plazmas zinātnes un kodolsintēzes centra asociētais direktors Martins Grīnvalds. "Ja SPARC sasniedz gaidīto veiktspēju, mans instinkts nosaka, ka to var palielināt līdz reālai elektrostacijai."
Ir daudz citu projektu un jaunu uzņēmumu, kas tāpat sola apiet visa veida tokamakus un starptautiskās sadarbības budžetus. Grūti pateikt, vai kāds no viņiem atradīs slepeno sintēzes sastāvdaļu, vai arī ITER ar savu nozīmi zinātniskajā aprindās un valstu atbalstu uzvarēs. Joprojām ir grūti pateikt, kad un vai saplūšana kļūs par labāko enerģijas avotu. Sintēze ir sarežģīta. Tā rāda vēsture.
Iļja Khel
