Šķiet, kodolsintēzes jomā nu notiek īstas sprinta sacīkstes – te priekšā izraujas viens, te atkal otrs, un katrā skrējienā kāds uzlabo savu šīs sezonas labāko rezultātu. Tā nupat izdarījuši Francijas zinātnieki ar reaktoru WEST, pārspējot vien janvārī Ķīnā uzstādīto rekordu. Taču šis nav sprints, bet maratons, un lielā finiša līnija – praksē elektroenerģijas ražošanai izmantojami kodolsintēzes reaktori – vēl nav redzama pie apvāršņa.
20. janvārī eksperimentāls reaktors EAST Ķīnā noturēja plazmu 1066 sekundes, taču šim rekordam bija atvēlēts īss mūžs. Jau 18. februārī WEST kodolsintēzes reaktora komanda paziņoja, ka 50 miljonus grādu karsts plazmas gredzens reaktorā noturēts 1337 sekundes jeb 22 minūtes un 17 sekundes. Ko tas nozīmē?
Kā koncepts enerģijas ražošana ar kodolsintēzes reakcijām eksistē jau vairāk nekā 70 gadus. Taču līdz šim tā arī nav izdevies to ieviest praksē. Viss pagaidām vēl ir tikai eksperimentālā fāzē, jo ātri vien industrija nosliecās par labu daudz vienkāršākai alternatīvai – kodolu dalīšanās reakcijām, kas ir pamatā visos mūsdienu komerciālajos kodolreaktoros. Taču kodolsintēze jeb kodolu saplūšana sola būtiskus ieguvumus – vairākas reizes lielāku potenciāli iegūstamo enerģiju kā arī reaktoru "tīrāku" darbību. Kodolsintēzes reaktoros degviela ir ūdeņraža izotopi deitērijs un tritijs, un pēc tam arī nav izaicinājumu ar izlietotās kodoldegvielas drošu uzglabāšanu, kā tas ir reaktoros, kur izmanto urāna kodoldegvielu.
Kodolsintēzes reakcijas ir tās, kas "darbina" arī mūsu Sauli un citas zvaigznes, tāpēc šāda tipa reaktorus nereti mēdz dēvēt par mākslīgajām saulēm. Un ir skaidrs, ka savaldīt procesus, kas notiek masīvu zvaigžņu kodolos, nav nekāds vieglais uzdevums. Runa ir par plazmu, kuras temperatūra sasniedz miljoniem grādu.
Šādi izskatās WEST reaktora plazmas kamera "miera stāvoklī".
Populārākais un visvairāk izpētītais no kodolsintēzes reaktoru dizainiem ir tā dēvētais tokamaks – tā vakuuma kamera, kurā tiek iedegta un noturēta plazma, vizuāli atgādina virtuli ar tukšu vidu. Gan Francijā topošais pasaulē lielākais kodolsintēzes reaktors ITER, gan nupat rekordu uzstādījušais WEST ir tokamaki. Zinātnieki šajās sarežģītajās ierīcēs rada apstākļus deitērija un tritija kodolu saplūšanai, kā rezultātā rodas hēlija atoma kodols, viens brīvais neitrons, kā arī tiek atbrīvots milzum daudz enerģijas. Plazma tokamakos krietni pārsniedz pat to temperatūru, kas ir Saules kodolā. Ja Saules kodolā ir ap 15 miljonus grādu pēc Celsija skalas karsts, tad WEST reaktorā iedegtā plazma bija 50 miljonus grādu karsta. Lielākie sarežģījumi ir nevis ar plazmas uzkarsēšanu, bet gan tās noturēšanu, lai karstais plazmas gredzens nesadedzina reaktora sienas. Tokamakos plazmu notur, izmantojot spēcīgus magnētus.
Lai kodolsintēzes reaktorus būtu jēgpilni lietot enerģijas ražošanā, jāpanāk arī pozitīva enerģijas bilance, proti, lai reakcijas ierosināšanā un noturēšanā iztērētā enerģija nepārsniedz to, ko no reakcijas var dabūt ārā. Pirms kāda laika ASV zinātnieki pavēstīja, ka šis mērķis esot sasniegts, taču bija būtiskas nianses. Tiesa, ka lāzera impulsa enerģija, kas tika izmantota kodolreakcijas ierosināšanā, bija ar mazāku enerģiju nekā reakcijā atbrīvotā enerģija, taču tā ir tikai viena neliela daļiņa no visas enerģijas, kas bija jāpatērē eksperimenta veikšanai. Plašāk par to var lasīt šajā 2022. gada rakstā:
ASV Enerģētikas ministrija paziņojusi, ka zinātniekiem beidzot izdevies sasniegt gadu desmitiem gaidīto izrāvienu vadāmas kodolsintēzes jomā. Proti, sasniegta pozitīva enerģijas bilance – reakcijā atbrīvots lielāks daudzums enerģijas, nekā bija nepieciešams reakcijas iniciēšanai. Neapšaubāmi, šis ir teicams sasniegums. Taču pagaidām drīzāk simbolisks. Ir stipri par agru šaut salūtu un priecāties, ka praktiski pielietojama un vadāma kodolsintēze nu ir "atkosta" un drīz šādi ražosim enerģiju. Turklāt, ja ņem vērā visu eksperimenta veikšanai iztērēto enerģiju, efektivitāte aizvien ir tikai aptuveni procents.
NIF eksperimentā kodolsintēzes reakcija tiek panākta, pa nelielu degvielas elementu "bliežot" ar spēcīgu lāzera impulsu. Tas, ka eksperimentā izmantotā lāzera impulsa enerģija bija divi megadžouli, bet reakcijā izdalītā enerģija 3,15 megadžouli, ir fakts. Taču ēnā palika informācija par to, cik tad enerģijas patērē visa milzīgā lāzera darbināšana. Lai līdz mērķim nogādātu divu megadžoulu impulsu, lāzeriekārta patērē elektroenerģiju robežās no 380 līdz 400 megadžouliem, ja skaita gan dzesēšanas sistēmas, gan datorus un visu pārējo aparatūru. Kā redzams, lāzeri aizvien ir ļoti neefektīvi.
Fiziķis Toms Hartsfīlds vietnē "Big Think" retoriski vaicājis: "Vai arī tad, ja tu man iedotu 400 dolārus un es tev pretī trīs dolārus un 15 centus, tu apgalvotu, ka esi nopelnījis?" Proti, ja skaita visu kopā, nevis tikai līdz mērķim nogādātā impulsa enerģiju, tad NIF eksperiments aizvien patērē aptuveni 130 reizes vairāk, nekā tiek iegūts. Hartsfīlda ieskatā, kodolsintēzes reakcijā izdalītajai enerģijai jābūt par 100 000% lielākai nekā enerģijai, kas iztērēta reakcijas ierosināšanai, lai sāktu domāt par lietderīgu pielietojumu.
Savukārt jaunais WEST rekords ir vien kārtējais solis tuvāk lielajam brīdim, ko gaida visi šajā jomā strādājošie zinātnieki. Proti, kad beidzot lietā tiks likts milzīgais ITER reaktors. Sākotnēji bija plānots, ka pirmie eksperimenti notiks jau 2020. gadā, taču nu ir skaidrs, cik ļoti optimistisks bijis šis scenārijs. Šobrīd biežāk minētais termiņš ir 2039. gads. Krietni par vēlu, lai kodolsintēze būtu risinājums jau pašlaik "degošajai" klimata krīzei, kā savulaik tika uzskatīts.
Seko "Delfi" arī Instagram vai YouTube profilā – pievienojies, lai uzzinātu svarīgāko un interesantāko pirmais!
