Gruodžio pradžioje JAV mokslininkai pasiekė svarbų etapą, bandydami patobulinti procesą, kuris potencialiai galėtų užtikrinti beveik neribotas energijos atsargas. Daugiau nei 60 metų vieną sudėtingiausių kada nors sukurtų fizikos uždavinių sprendusiems mokslininkams pirmąkart pavyko branduolių sintezės reaktoriuje pagaminti daugiau energijos, nei buvo sunaudota reakcijai sukelti.

Viliamasi, kad šis proveržis paskatins tolimesnę jo akceleraciją, kas ateityje užtikrins neribotą švarios energijos tiekimą. Mat branduolių sintezės metodas vertinamas kaip turintis didžiulį potencialą tapti tvariu, mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančiu energijos šaltiniu. Vis dėlto, nors antraštės ir skambios, Vilniaus universiteto (VU) mokslininkai išsamiai paaiškino eksperimentą ir jo kontekstą.

Mėgdžioja žvaigždžių gelmėje vykstančius procesus

„Energetika – viena svarbiausių pasaulio temų. Šiuo metu didelės pajėgos mestos į atsinaujinančius energijos šaltinius. Tačiau jų panaudojimą riboja klimatinės sąlygos ir gana brangi įranga. Kitas energijos gavimo būdas – naudoti branduolinio skilimo reakcijas. Tačiau atominėse elektrinėse vykstančiuose branduolinio skilimo procesuose naudojamas radioaktyvus uranas, tad nesėkmės atveju gresia baisūs padariniai“, – pasakoja Fizikos fakulteto mokslo darbuotoja dr. Mažena Mackoit.

Tuo tarpu branduolių sintezės atveju, nors panaudojama branduolinė reakcija, branduoliai nesidalija. Būtent grandininės reakcijos nebuvimas eliminuoja ir sprogimų pavojų. Be to, branduolinėje sintezėje gali būti naudojami visi už geležį lengvesni elementai, o išeigos metu įmanoma gauti net kelis kartus daugiau energijos, nei naudojant uraną. Galiausiai vykstant procesui neišsiskiria šiltnamio efektą sukeliančios dujos.

„Branduolių sintezės technologija imituoja žvaigždžių gelmėse vykstančius procesus. Norint pasiekti termobranduolinę sintezę, laboratorijoje mums reikia labai aukštos, saulei artimos, temperatūros ir didelio slėgio. Be to, tą karštį reikia sukoncentruoti į mažą tūrį ir sudurti branduolius tarpusavyje, tada į vieną elementą sujungti branduoliai išskirs energiją.

Vis dėlto sukurti dirbtines Saulei artimas sąlygas Žemėje nėra lengva, todėl ir neturime branduolinės sintezės reaktoriaus. Juk kalbame apie kelis šimtus milijonų laipsnių pagal Celsijų. Europoje elektromagnetinio suvaržymo technologiją naudojančiame „Tokamak“ reaktoriuje dar nepavyko pasiekti didesnės energijos išeigos, palyginti su sąnaudomis. Amerikiečiai, pasirinkę lazerinės branduolinės sintezės būdą, sugebėjo pasiekti energijos perviršį“, – aiškina dr. M. Mackoit.

Pasak jos, šio eksperimento metu labai didelės galios ir trumpos trukmės impulsus skleidžiantys 192 lazeriai buvo nukreipti į vieną milimetro dydžio taikinį – kuro kapsulę su vandenilio izotopais, deuteriu ir tričiu. Lazeriu įkaitinus centrinį tašką ima vykti sintezės reakcija – deuterio ir tričio susiliejimas. Kiekviena susiliejusi vandenilio izotopų pora sukuria helio branduolį, kuris yra pakankamai stabilus, kad išsiskirtų sąlyginai daug energijos. Eksperimento rezultatas – jo metu gauta energija pirmąkart buvo didesnė už skirtą procesui inicijuoti.

Dar toli nuo komercinės sėkmės

„Vis dėlto eksperimente panaudoti lazeriai sunaudojo 300 megadžaulių energijos. Tai reiškia, kad nebuvo atsižvelgta į energijos nuostolius, skirtus lazerių spinduliuotei. Todėl reikės išgauti dar daugiau energijos, kad ši energija taptų ta, kuri yra tiekiama iš elektros tinklo, o tam prireiks daug kuro kapsulių ir laiko sąnaudų“, – mano VU mokslininkė.

VU Fizikos fakulteto vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Andrius Juodagalvis paaiškino, koks energijos kiekis buvo gautas minėto eksperimento metu: „Jei turime 1 litrą 20 laipsnių Celsijaus temperatūros vandens ir norėtume jį įkaitinti iki virimo temperatūros, reikėtų maždaug 0,335 megadžaulių energijos. Elektrinis virdulys gali būti 80 proc. efektyvus, todėl užvirinimui reikės maždaug 0,42 megažaulių energijos. Kitaip tariant, iš vienos kapsulės gauta energija, jei išgavimo efektyvumas būtų 100 proc., galėtų būti panaudota 2,5 litrų vandens užvirinti.“

Pasak pašnekovo, mokslininkų paskelbtas energijos išgavimas iš vienos kuro kapsulės dar yra toli nuo komercializavimo – didelio elektros energijos kiekio gavimo.

„Energijai išgauti pramoniniu (t. y. komerciškai apsimokančiu) būdu reikia įskaityti visas sąnaudas. Eksperimento metu, kad sintezės procesas įvyktų, reikėjo aktyvuoti lazerius, sunaudojusius daug elektros energijos. Taip pat buvo pasitelkta suskystintų (atšaldytų) dujų mišinio kapsulė, o atšaldymui irgi reikalinga energija. Eksperimente naudojamas tritis – brangi medžiaga. Be to, reikia pagaminti kapsulę“, – vardija dr. A. Juodagalvis.

Jis teigia, kad omenyje reiktų turėti ir procesus, kai išsiskirianti energija virsta šilumine. Įprastuose branduoliniuose reaktoriuose dėl branduolių skilimo susidaranti šiluma panaudojama šilumnešiui, pavyzdžiui, vandeniui, kaitinti, o vėliau jo garai suka turbinas, kurios gamina elektros energiją. Kiekvieno energijos virsmo metu tenka atsižvelgti į proceso efektyvumą – pavyzdžiui, garų šiluminė energija ne tik virsta turbinų sukimusi, bet ir šildo pačias turbinas, be to, dalis šilumos nenaudingai išleidžiama į aplinką tiesiog atšaldant šilumnešį, kad jį būtų galima panaudoti.

Kas bus ateityje ir kuo čia dėtas mėnulis?

Nors branduolių sintezė yra daug žadantis būdas gauti energiją, technologinis jos aspektas kelia iššūkių. Be jau minėtų, senka ir branduolinėje sintezėje naudojamo tričio atsargos. Štai deuterio pakankamai išskiriama iš jūros vandens, o tričio planetos plutoje nėra daug. Radikaliai skiriasi ir šių elementų kaina: tričio yra apie 30 tūkst. JAV dolerių už gramą, o deuterio – 13 JAV dolerių už gramą.

Viltys, susijusios su tričio gamyba, yra nukreiptos į fizikus, ieškančius būdų, kaip pagaminti šios medžiagos. Kita vertus, helio izotopas helis-3 (He3) sąlyginai dažnai aptinkamas Mėnulio paviršiuje. Todėl, jei pavyktų Mėnulyje įrengti infrastruktūrą žmonių kelionėms, juokaujama, kad pirmasis čia atsikelsiančių žmonių verslas bus susijęs su kuro išgavimu ir tiekimu branduolių sintezei.

Kalbant apie artimesnę ateitį ir Europoje vykstančius procesus, verta paminėti Pietų Prancūzijoje baigiamą statyti Tarptautinį termobranduolinį eksperimentinį reaktorių (ITER). Jį tikimasi paleisti jau 2025 m. Tarp ITER projektavimo iššūkių buvo sukurtos plazmos stabilumo užtikrinimas, siekiant sumažinti plazmos medžiagos nuostolius veikimo metu, ir plazmos suvaldymas atsiradus nestabilumui, nes išsiveržusi plazma galėtų sugadinti indą, kuriame ji yra.