Ar pasaulē 'niknāko' lāzeru panāk iespaidīgu sasniegumu kodolsintēzes jomā  (41)

Sākumā atkāpe par pašu kodolsintēzes procesu. Šobrīd visas enerģiju ražojošās kodolspēkstacijās izmanto kodolu dalīšanās procesu. Kodolsintēzes reaktoros savukārt notiek kodolu saplūšana, kā rezultātā no vieglākiem elementiem veidojas smagāki elementi. Paša procesa sekas mēs piedzīvojam ik dienas – tieši šāda veida kodolreakcijas notiek zvaigžņu, arī Saules, dzīlēs milzīgā karstumā un spiedienā. Saprotams, ka ko līdzīgu replicēt uz Zemes nav nekāds vieglais uzdevums. Šobrīd to uz mirkli iespējams paveikt tokamaku tipa reaktoros. Kā tas strādā?

Reaktora "sirdī" – barankas formas vakuuma kamerā – milzīga karstuma un spiediena ietekmē gāzveida ūdeņraža degviela pārtop plazmā jeb superkarstā, jonizētā gāzē. Plazma – kā zvaigžņu iekšienē, tā arī kodolsintēzes reaktoros – nodrošina tādu vidi, kurā vieglie elementi var savienoties, šajā procesā izdalot enerģiju. Tokamakos plazmu kontrolē ar ārkārtīgi spēcīgiem magnētiem, kas izvietoti ap šo vakuuma kambari. Tā nolūks ir noturēt plazmu noteiktā konfigurācijā un attālumā no kambara sienām. Arī pats nosaukums – "tokamaks" – cēlies no šī principa izklāsta krievu valodā. Proti, "tora formas kamera ar magnētiskajām spolēm" jeb "тороидальная камера с магнитными катушками".

Lai "iestartētu" procesu, no kambara vispirms tiek izsūknēts viss gaiss. Pēc tam tiek iedarbināti magnēti, kas palīdzēs ierobežot un kontrolēt plazmu, un tikai tad ievadīta gāzveida degviela (tiek izmantoti ūdeņraža izotopi deitērijs un tritijs). Pēc tam caur kambari tiek laista ļoti spēcīga elektriskā strāva, jonizējot gāzveida degvielu un izveidojot plazmu. Plazmā daļiņas sāk cita ar citu sadurties un uzkarst, taču aizvien nepieciešams izmantot papildu metodes plazmas uzkarsēšanai, lai panāktu temperatūru, kurā notiek kodolu sintēze (ap 150 līdz 300 miljoniem grādu pēc Celsija). Šādā temperatūrā daļiņas spēj pārmākt elektromagnētiskās mijiedarbības atgrūšanos un saplūst, atbrīvojot lielu daudzumu enerģijas. Šobrīd Francijā, sadarbojoties vairākiem desmitiem valstu (arī Latvijas zinātnieki iesaistīti šajā projektā), top pasaulē lielākais tokamaks ITER. Savukārt jūnija sākumā "Campus" jau ziņoja, ka būtisks sasniegums panākts Ķīnā esošajā eksperimentālajā kodolsintēzes iekārtā EAST ("Experimental Advanced Superconducting Tokamak"), kur izdevies uzturēt plazmu temperatūrā 120 miljoni grādu 101 sekundi, bet temperatūru 160 miljoni grādu – 20 sekundes.

ASV laboratorijā veiktie eksperimenti nav saistīti ar tokamaku tipa iekārtām. Tur plazma tiek aizdedzināta ar ļoti jaudīgu lāzeru impulsu (patiesībā NIF lāzeri ir jaudīgākie pasaulē), starus vēršot pret sīkām ūdeņraža izotopu degvielas šūnām. 192 lāzerstari tiek koncentrēti uz degvielas šūnu – zelta cilindrā ievietotā nelielā kapsulā ar deitērija un tritija degvielu. Visa šūna nav lielāka par dzēšamo gumiju zīmuļa galā. Lāzeri tiek iedarbināti tikai uz ļoti īsu mirkli, tikai 20 nanosekundēm, un šajā brīdī ģenerē 1,9 megadžoulu enerģiju. Rezultātā, zeltam spēji iztvaikojot, rodas rentgenstari un notiek degvielas kapsulas implozija. Tās rezultātā iekšā esošais deitērijs un tritijs tiek sakompresēti ļoti cieši līdz blīvumam, kas ir pietiekams, lai iniciētu kodolu sintēzi. Teorijā, ja šādi nelieli kodolsintēzes "sprādzieniņi" varētu notikt ar biežumu 10 reižu sekundē, tad jau varētu sākt runāt par enerģijas ieguvi.

Viena no pamata problēmām kodolsintēzes jomā aizvien ir tas, ka reakcijas iniciēšanai un uzturēšanai šobrīd tiek patērēts vairāk enerģijas, nekā varētu iegūt reakcijas rezultātā. Arī šajā sasniegumā, kur nelielā kodolsintēzes "eksplozijā" tika sasniegts 1,35 megadžoulu slieksnis, tas aizvien ir tikai ap 70 procentiem no lāzeru ģenerētās enerģijas reakcijas iniciēšanai. Tomēr reakcijā sasniegtie 1,35 megadžouli ir astoņas reizes vairāk nekā jebkad iepriekš NIF laboratorijas ekspertiem bija izdevies. Vēl viens solis tuvāk brīnišķīgajam brīdim, kad kodolsintēzes reakcijas varētu kļūt par efektīvu un praktisku enerģijas ieguves veidu.

"Pēc gadiem ilgušiem eksperimentiem, kur spējām sasniegt tikai 3 procentu slieksni, šis ir ārkārtīgi iepriecinoši," žurnāls "Science" citē Lorensa Livermora Nacionālās laboratorijas, kas pārvalda arī NIF lāzeru laboratoriju, ekspertu Marku Hermanu.

"Tas pierāda, ka ar nelielu enerģijas daudzumu, izraisot nelielas masas imploziju, var panākt kodolu saplūšanu. Tas ir brīnišķīgs rezultāts," uzsver Ročestras Universitātes Lāzeru enerģētikas laboratorijas fiziķis Maikls Kempbels.

Pagaidām gan Hermana komanda par nekādiem praktiskiem kodolsintēzes reaktoriem vēl nesapņo. "Panākt kodolsintēzi laboratorijā ir ļoti grūti. Panākt ekonomiski izdevīgu enerģijas ražošanu kodolsintēzes rezultātā ir vēl grūtāk. Mums jābūt pacietīgiem," piebilst Kempbels.