Energija iš branduolių sąlajos grįžta į madą

Šįkart net gali atsirasti veikiantis variantas.

Sausio 12-ąją Oksfordšyro grafystės taryba Anglijoje leido statyti naują pastatą prie Kalemo kaimo. Leidimo prašė kanadiečių įmonė „General Fusion“, o pastate, vykdant demonstracinę sąlajos programą, bus įrengtas trimis dešimtosiomis sumažintas komercinio branduolių sąlajos reaktoriaus prototipas.

Kalemą įmonė pasirinko dėl ten pastatyto Jungtinio Europos toro (JET) – eksperimentinio sąlajos reaktoriaus, kurį 1983 m. atidarė vyriausybių konsorciumas. Dėl to įmonė ten turėtų rasti talentingų žmonių darbui.

„General Fusion“ – ne viena. Vasario 10-ąją britų įmonė „Tokamak Energy“ pranešė planuojanti įrengti trimis ketvirčiais sumažintą prototipą ST80.

Taip pat Kaleme. O 2024 m. prie jų ten pat prisijungs kitos britų įmonės „First Light Fusion“ ikikomercinė demonstracinė sistema „Machine 4“.

Kitapus vandenyno, Masačusetse, „Commonwealth Fusion Systems“ Devense, į Vakarus nuo Bostono, jau stato perpus mažesnį prototipą SPARC. Kitame JAV krašte, Everete, Vašingtono valstijoje, „Helion Energy“ stato kitą prototipą – „Polaris“. Futhil Ranče, Los Andželo priemiestyje, „TAE Technologies“ taip pat stato mašiną, kurią pavadino „Copernicus“.

Šios šešios įmonės ir 36 kitos, išskirtos užgimstančiam sektoriui atstovaujančios Sąlajos pramonės asociacijos (FIA), tikisi su žaliosios energijos banga nuplaukti į ateitį be anglies dioksido.

Įmonės mano galinčios sulaukti sėkmės ten, kur kitoms nepavyko – perkelti sąlają iš laboratorijų į elektros tinklą ir tam naudoti daug mažesnes bei pigesnes sistemas nei naujausia tarpvyriausybinė milžinė ITER, statoma Prancūzijos pietuose už, JAV energetikos departamento skaičiavimu, 65 mlrd. JAV dolerių sieksiančią kainą.

Vienais atvejais optimizmo suteikia įdarbintos anksčiau neturėtos technologijos ir medžiagos, kitais – paprastesnė konstrukcija.

Daugelis įmonių sparčiai augančiame FIA sąraše – nedidelės. Bet „General Fusion“, „Tokamak“, „Commonwealth“, „Helion“ ir TAE – visos gavo 250 mln. JAV dolerių viršijančių investicijų.

Tiesą sakant, TAE gauta investicija siekia 1,2 mlrd. JAV dolerių, o „Commonwealth“ – 2 mlrd. „First Light“ verčiasi iš maždaug 100 mln. JAV dolerių. Bet ji taiko paprastesnį būdą nei kitos („mažiau varžtelių“, pasak įmonės valdybos pirmininko Barto Markuso), tad jai nėra taip svarbu čia ir dabar gauti pinigų.

Nors temperatūra, kurioje sąlaja vyksta Saulėje, ir yra didelė (15,5 mln. laipsnių Celsijaus), inžinieriams ji pasiekiama.

Visos tos įmonės nusistačiusios panašius terminus. Jos jau stato arba netrukus pradės statyti prototipus vildamosi, kad šie bus priešpaskutiniai.

Naudodamos tuos prototipus jos planuoja nuo šio dešimtmečio vidurio iki pabaigos pašalinti likusius procesų trūkumus.

Visos sutinka, kad po to sistemos jau bus tikros jėgainės, net jei eksperimentinės – daugiausia 200–400 MW galios, galinčios tiekti elektrą į tinklą. Dauguma įmonių siekia, kad tokios jėgainės jau veiktų ateinančio dešimtmečio pradžioje.

Šlakelis istorijos

Mintis įdarbinti Saulėje vykstantį procesą kilo netrukus po to, kai praėjusio amžiaus 3-iajame ir 4-ajame dešimtmetyje buvo išsiaiškinta, koks tai procesas, t. y. protonų – vandenilio atomų branduolių – sąlaja susidarant helio branduoliui (4He), vadinamosioms alfa dalelėms.

Reakcijos produktas yra šiek tiek mažesnis už joje dalyvavusių komponentų sumą, nes alfa dalelė lengvesnė už keturis laisvus protonus. Bet trūkstama masė nedingsta, tik pakeičia formą. Pagal Alberto Einsteino formulę E=mc2 ji virto energija šilumos forma.

Technologiniu atžvilgiu tai skambėjo perspektyviai. Bet netrukus paaiškėjo, kad apie tokį procesą kaip Saulėje negali būti nė kalbos.

Norint priversti branduolius susilieti reikia šilumos, slėgio arba ir vieno, ir kito. Slėgis sumažina branduolius skiriantį tarpą ir paskatina juos susiliesti.

Šiluma jiems suteikia pakankamai didelį greitį, kad galiausiai susitikę jie galėtų įveikti elektrostatinį atstūmimą, vadinamą Kulono barjeru, ir pasidarytų įmanomas stipriąja sąveika vadinamas reiškinys, veikiantis tik nedideliu atstumu.

Stiprioji sąveika išlaiko protonus ir neutronus branduolyje, tad įveikus Kulono barjerą greitai susiformuoja naujas, didesnis branduolys.

Nors temperatūra, kurioje sąlaja vyksta Saulėje, ir yra didelė (15,5 mln. laipsnių Celsijaus), inžinieriams ji pasiekiama. Eksperimentiniuose reaktoriuose galima pasiekti 100 mln. laipsnių Celsijaus ir gal net dar daugiau.

Bet reikiamo slėgio (250 mlrd. atmosferų) pasiekti nepavyksta. Negana to, Saulėje vykstančios sąlajos žaliava labai nepaklusni.

Skaičiuojama, kad pirmam žingsniui link helio – dviejų atskirų protonų sąlajai susidarant sunkiajam vandenilio izotopui, vadinamam deuteriu (iš vieno protono ir vieno neutrono) – vidutiniškai reikia 9 mlrd. metų.

Dėl to inžinieriai siūlo Saulėje vykstančios reakcijos simuliakrą. Įprastai, – tokį būdą pasirinko „General Fusion“, „Tokamak Energy“, „Commonwealth Fusion“ ir „First Light“, taip pat tokie vyriausybiniai projektai kaip JET ir ITER, – pradedama nuo deuterio ir vykdoma jo sąlaja su dar sunkesne (ir radioaktyvia) vandenilio forma, vadinama tričiu (iš vieno protono ir dviejų neutronų), kad susidarytų 4He ir vienas neutronas. (Tiesioginės deuterio branduolių sąlajos efektyvumas, nors ji kartais atliekama bandymuose, siekia tik tūkstantąją dalį.)

Žemas startas

Išsiskiria galia reakcijos produktų kinetinės energijos forma, ir 80 proc. jos atsiduria neutrone. Siūloma surinkti ją kaip šilumą, pagaunant neutronus absorbcine medžiaga, o tada panaudoti ją garui ir taip generuoti elektrą.

Pagal sumanymą reaktoriai taip pat galės pasigaminti jiems reikalingą tritį (nes tritis gamtoje nerandamas), į absorbcinę medžiagą įdėjus šiek tiek ličio izotopo 6Li, kuris reaguodamas su neutronais generuoja tritį ir alfa dalelę. Dėl deuterio problemų nekyla. Jo randama vienoje iš 3,2 tūkst. vandens molekulių.

Ne visi renkasi deuterio–tričio kelią. „Helion“ ir TAE siūlo vadinamosios aneutroninės sąlajos versijas.

„Helion“ siūlo pradėti nuo lengvo helio izotopo 3He (iš dviejų protonų ir vieno neutrono) iš tarpinės Saulėje vykstančios reakcijos stadijos.

Tačiau užuot, kaip Saulėje, suliejus du tokius izotopus (gaunant 4He ir du protonus), jie po vieną suliejami su deuterio branduoliu susidarant 4He ir vienam protonui. 3He atsargos būtų papildomos sukūrus sąlygas, skatinančias šalutinę reakciją, kuriai vykstant jis susidaro iš dviejų deuterių.

„Tokamak Energy“ sistema valdoma iš valdymo centro, kurio nebūtų gėda rodyti filme apie Džeimsą Bondą.

TAE siūlo dar labiau intriguojantį variantą. Kaip kurą ji pasirinko boroną (iš penkių protonų ir šešių neutronų) ir įprastą vandenilį, kurių nei vieno, nei kito netrūksta.

Jų susiliejimo produktas suskyla į tris alfa daleles. Tiesą sakant, TAE pavadinimas kilęs iš „Tri-Alpha Energy“ (išvertus – trijų alfa dalelių energija). Tik bėda, kad tokiam procesui tinkamai veikti borono-protono sąlajos reaktoriuje reikės ne menkų 100 mln., o 1 mlrd. laipsnių Celsijaus.

Net deuterio–tričio sąlajos atveju yra daug būdų paskatinti branduolius susijungti. Siekiama sukurti sąlygas, kurios atitiktų vadinamąjį Lawsono kriterijų, pavadintą šį kriterijų XX a. 6-ajame dešimtmetyje paskelbusio Johno Lawsono vardu.

Mokslininkas suprato, kad norint generuoti energiją reikia manipuliuoti temperatūra, tankiu ir laiku, kiek galima pratęsti reakciją.

Ši trijulė duoda reikšmę, vadinamą trigubu produktu, dėl kurio, jei reikšmė pakankamai aukšta, įvyksta „uždegimas“, po kurio reakcija sugeneruoja pakankamai energijos sau palaikyti.

Labiausiai paplitusioje reaktoriaus konstrukcijoje, tokamake, pagrindinė dedamoji yra temperatūra.

Ši konstrukcija išrasta Rusijoje 1958 m. ir nurungė anksčiau sukurtą zeta suspaudimą ir stelaratorius, nes atrodė, kad joje galima geriau kontroliuoti deuterio–tričio plazmą, naudojamą kaip kuras.

(Plazma – dujas primenantis fluidas, kuriame atomų branduoliai ir elektronai yra atskirai.) Reakcija vyksta tuščiaviduriame tore, užpildytame plazma.

Tore įrengtos jį apvijusios toroidinės elektromagnetinės ritės, poloidinių ričių poros virš jo ir po juo, o viduryje – solenoidas (žr. 1 diagramą).

Kadangi plazmos dalelės turi elektros krūvį, tokamako magnetai gali, veikdami kartu, kontroliuoti jų elgesį – apriboti ir pakaitinti jas tiek, kad branduoliai susilietų. Tačiau plazma negali susiliesti su reakcijos kameros sienomis.

Palietusi ji iš karto atvės ir sąlaja nebevyks. Nors stelaratoriai taip pat toroidiniai, jiems reikėjo sudėtingesnio (ir sunkiai kontroliuojamo) magnetų išdėstymo. Zeta suspaudime buvo leidžiama elektros srovė per plazmą ir taip sukurtas save ribojantis magnetinis laukas.

Tradicinis tokamako toras atrodo kaip riestainis, bet „Tokamak Energy“ konstrukcija (dabartinės versijos vidų, užpildytą plazma, matote pav.) panašesnė į obuolį su pašalintu sėklalizdžiu.

XX a. 9-ajame dešimtmetyje apskaičiuota, kad tokia konstrukcija yra efektyvesnė už riestainį. Skaičiavimus atliko vienas įmonės įkūrėjų Alanas Sykesas, anuomet dirbęs prie JET.

A. Sykeso sumanytos sferinės konstrukcijos efektyvumą ir kompaktiškumą gerokai padidino ričių vijoms naudojamos aukštatemperatūrių superlaidininkų juostos.

(„Aukštatemperatūris“ reiškia, kad jie veikia žemiau azoto, –196 laipsnių Celsijaus, o ne skysto helio, –269 laipsnių Celsijaus, virimo taško). Jos visai netrukdo tekėti elektrai, tad naudoja mažai energijos. Šiandien tokių juostų galima įsigyti rinkoje iš kelių tiekėjų.

„Commonwealth Fusion“ magnetuose taip pat naudoja aukštatemperatūrius superlaidininkus. Ir nors ši įmonė tokamakui pasirinko įprastą riestainio, o ne obuolio su pašalintu sėklalizdžiu konstrukciją, jis taip pat bus kompaktiškas.

Be magnetų, ne mažiau svarbus ir kitas patobulinimas, abiejų įmonių įdiegtas tokamakuose, – plazmos kontrolė. Antai „Tokamak Energy“ sistema valdoma iš valdymo centro, kurio nebūtų gėda rodyti filme apie Džeimsą Bondą.

Naudojama programinė įranga geba sekti plazmos elgesį tokiu tempu, kad sąlygas gali pakoreguoti kas 100 mikrosekundžių, neleisdama plazmai susiliesti su reaktoriaus sienomis. Taigi atėjus dienai, kai pasirodys komercinė versija, reaktorius galės veikti ištisai.

Spaudimas auga

„General Fusion“ planuoja pasiekti Lawsono kriterijų naudodama slėgį, taip pat temperatūrą, o savo metodą pavadino magnetizuota tiksline sąlaja. Kaip aiškina įmonės vadovas Michelas Laberge, sistemos kuras taip pat plazma, bet reakcijos kameroje kaip įdėklas naudojamas besisukantis skysto metalo cilindras – prototipe ličio, o numanomame komerciniame modelyje ličio ir švino mišinio.

Įpurškus kurą į kiaurymę to cilindro viduje, pneumatiniai stūmokliai stumia metalą vidun (žr. 2 diagramą) ir kiaurymėje suformuojama nedidelė sfera.

Taip plazma suslegiama ir pakaitinama tiek, kad prasideda sąlaja. Jei tokioje sistemoje pavyks pasiekti uždegimą, sugeneruotą šilumą sugers skystas litis, o tada šilumą galima panaudoti garui generuoti. Be to, kai kurie neutronai įdėkle esantį 6Li pavers tričiu.

„General Fusion“ taip pat reikia sudėtingos programinės įrangos stūmokliams kontroliuoti ir tinkamai plazmos formai pasiekti. Bet M. Laberge mano, kad apsieinant be elektromagnetų supaprastėjo konstrukcija ir neliko galimų vietų nesėkmei.

Viskas skamba pakiliai ir perspektyviai. Bet daliai kritikų neramu, kad tai tik tuščias burbulas.

TAE ir „Helion“ plazmos tūriui riboti naudoja vadinamąsias apverstojo lauko konfigūracijas (žr. 3 diagramą). Jų naudojamos reakcijos kameros primena tuščiavidurį svarmenį su pastorintu viduriu.

Galuose sukuriami besisukantys plazmos toroidai, kuriuos po to vieną link kito pastumia magnetiniai laukai. Jų susidūrimas sukelia sąlają. Ir šiuo atveju to nepadarytum be sudėtingų kontrolės sistemų.

Tiek „Helion“, tiek TAE planuoja tiesiogiai generuoti elektrą, užuot generavusios garą, varantį generatorių. „Helion“ elektrą ims iš susijungusių plazmos toroidų magnetinio lauko sąveikos su išoriniu lauku. Kaip TAE ketina tai padaryti, neatskleidžiama, bet, pasak jos, svarstomi keli variantai.

Kelios narės iš FIA sudaryto 36 įmonių sąrašo galo ieško naujų technologinių horizontų kitais būdais.

Vienos tyrinėja tolesnius degalų ciklus, pavyzdžiui, sukeldamos deuterio branduolių reakcijas energijai generuoti, o ne vien aparatams išbandyti, arba siekdamos ličio sąlajos su protonais. Kitos eina deuterio–tričio keliu, bet tyrinėja kitokius reaktoriaus tipus.

Antai Siatle veikianti „Zap Energy“ naudoja didesnę plazmos kontrolę, siekdama atgaivinti zeta suspaudimą.

Kelios kitos įmonės, įskaitant amerikiečių „Princeton Stellarators“ ir „Type One Energy Group“ bei prancūzų „Renaissance Fusion“, pučia dulkes nuo stelaratorių, ir šiuo atveju manydamos, kad šiuolaikinei kompiuterijai jų ypatumai įveikiami.

Bet tiesiausiai su tokamakais, apversto lauko konfigūracijomis ir „General Fusion“ hidrauline konstrukcija varžosi inercine sąlaja pavadintas metodas. Jo atveju iš pradžių kuras būna nedidelėje kapsulėje, o Kulono barjeras įveikiamas išoriniu smūgiu.

Inercinės sąlajos srityje kol kas pirmauja „First Light“. Šios įmonės inžinieriai smūgiui naudoja elektromagnetinės akceleracijos varomą sviedinį (žr. 4 diagramą).

Taikinys – degalų kapsulė, padėta kubo formos stiprintuve. Stiprintuvas sustiprina smūgio bangą („Machine 4“ atveju tikimasi, kad iki 80 kilometrų per sekundę) ir laužia ją taip, kad ji smogtų kapsulei iš visų pusių vienu metu. Taip kuras bus sugniuždytas ir išeis uždegimą galintis sukelti trigubas produktas.

Vis dėlto „First Light“ pasirinko neįprastą būdą. Dauguma kitų inercinės sąlajos šalininkų planuoja smūgiui naudoti lazerius.

Tarp jų – „Focused Energy“ iš Ostino Teksase, „Marvel Fusion“ iš Miuncheno ir „Xcimer Energy“ iš Redvud Sičio Kalifornijoje. Visos jos eina JAV vyriausybės projekto „National Ignition Facility“ (NIF), skirto atominių ginklų fizikai tyrinėti, pramintu keliu.

Žali siekiai ir žali šlamantieji

2022-ųjų gruodį NIF sukėlė sensaciją paskelbusi, kad pavyko sukelti uždegimą. Bet išsiskyrusi energija nesiekė nė 1 proc. sunaudotosios, tad nė iš tolo nepriartėta prie kitos sąlajai sukomercinti reikalingos būtinos sąlygos – q > 1, kur q – iš sistemos gaunamos energijos santykis su sunaudojama.

Skirtingose q versijose „gaunama“ ir „sunaudojama“ apibrėžiama skirtingai. Bet komercijai aktualiausia, kiek elektros reikia iš tinklo, kad sistema galėtų veikti, palyginti su tinklui atiduota energija. „Focused“, „Marvel“ ir „Xcimer“ tikisi pasiekti tą q > 1 variantą.

Tad viskas skamba pakiliai ir perspektyviai. Bet daliai kritikų neramu, kad tai tik tuščias burbulas.

Pirma, tebėra daug technologinių sunkumų. B. Markuso pastebėjimas apie varžtų skaičių tikrai įžvalgus. Jo įmonė (taip pat „General Fusion“) sudėtingų magnetinių plazmos kontrolės sistemų poreikio klausimą sprendė jų vengdama.

Nereikia pamiršti ir finansų. Kaip ir kitoms technologijų sritims, sąlajai padėjo pastarasis pigių pinigų laikotarpis. Jo pabaiga gali užslopinti didumą einančiųjų gale.

Bet tos srities lyderės apsirūpino pinigais, kol padėtis buvo palanki. Tie pinigai turėtų padėti joms išsilaikyti iki to meto, kai piniguočiai jau galės įvertinti jas pagal rezultatus, o ne siekius.

Datos, kad veikiančios sistemos pasirodys kito dešimtmečio pradžioje, taip pat nereikėtų laikyti nekintama. Sektorius garsėja nukeltais terminais, ir britų vyriausybės projektas pastatyti sferinį tokamaką STEP turi atsargiau iškeltą tikslą viską paruošti iki 2040 m.

Negana to, net jei bus sukurta praktiškai veikianti sistema, jai reikės rasti nišą.

Įmonės pasakoja, kad bus tiekiama „bazinė“ energija, papildanti protarpinius šaltinius, tokius kaip saulė ir vėjas, ir kad tai bus padaryta apsaugant visuomenę nuo paplitusios baimės dėl kitais atžvilgiais akivaizdžios alternatyvos – branduolių skilimo.

Toks variantas gali pasiteisinti, bet kartu turės būti pigesnis už kitas alternatyvas, kaip antai didelio masto elektros energijos kaupimo sistemas.

Vis dėlto sąlajos šalininkai turi bent vieną rimtą priežastį turėti vilčių. Tai – didžiulė būdų įvairovė. Užteks bent vienam iš jų toje srityje duotų gerų rezultatų ir fantazija virs realybe.

O jei taip nutiktų, tai galėtų savaime pakeisti energetikos sektoriaus sanklodą.