Արեգակը ռեակտորի մեջ. Արդյոք ամերիկացիները բեկման են հասել ջերմամիջուկային սինթեզի ոլորտում
Օրերս համաշխարհային առաջատար լրատվամիջոցները սկսեցին ակտիվորեն գրել ամերիկյան NIF ջերմամիջուկային սինթեզի կայանքում բեկումնային ձեռքբերման մասին։ Թեմային անդրադարձավ նաև երկրի էներգետիկայի նախարարությունը։ Դրանից հետո սոցցանցային հարթակներում սկսվեցին քննարկումները, թե մարդկությունը թևակոխում է էներգետիկ նոր փուլ, որ էներգիայի ստացման նախկին եղանակները շուտով այլևս ակտուալ չեն լինելու, ու որ դա, ամենայն հավանականությամբ, կբերի նոր համաշխարհային աշխարհակարգի։
Քաղաքականությունը չքննարկելով` PAN-ը պատմում է, թե ինչ է տեղի ունեցել ու ինչ է ջերմամիջուկային սինթեզի ռեակցիան։
ՇԱՏ ԿԱՐՃ՝ ԻՆՉ Է ԵՂԵԼ
Ջերմամիջուկային սինթեզի NIF կայանքում աշխատող ֆիզիկոսները կարողացել են հասնել ջերմամիջուկային սինթեզում թիրախի ջերմացման համար կիրառվող լազերային փնջի ծախսած հզորության նկատմամբ ավելի բարձր ելքային հզորության։ Պարզ ասած` ռեակցիա ստանալու համար ծախսվել է ավելի քիչ էներգիա, քան ռեակցիայի արդյունքում ստացվել է։ Սակայն, դա չի նշանակում, որ կայանքը պիտանի է ջերմամիջուկային ռեակտոր դառնալու համար, այլ ընդգծում է հետագա գիտափորձերի անհրաժեշտությունը։
ՍԻՆԹԵԶԻ ՌԵԱԿՑԻԱՅԻ ՄԱՍԻՆ
Ջերմամիջուկային սինթեզի ռեակցիայի ժամանակ թեթև ատոմները բարձր ջերմաստիճանների ու ճնշման պայմաններում այնքան են մոտենում միմյանց, որ ուժեղ միջուկային փոխազդեցությունը հաղթահարում է ատոմների միջև էլեկտրաստատիկ վանումը, ինչի արդյունքում ատոմները ձուլվում են` ձևավորելով նոր, ավելի ծանր ատոմներ ու անջատելով էներգիա։
Բնության մեջ ջերմամիջուկային սինթեզի ռեակցիայի աղբյուրներն աստղերն են, որոնց ահռելի զանգվածի ու գրավիտացիայի ազդեցությամբ միջուկում գտնվող ատոմները (օրինակ` ջրածնի) ձուլվում են` վերածվելով հելիումի կամ ավելի ծանր էլեմենտների ու անջատելով մեծ քանակությամբ էներգիա։ Աստղի զանգվածի շնորհիվ խիստ տաքացված պլազման պահվում է բավարար երկար ժամանակ` բարձր ճնշման պայմաններում։
Կառավարելի ջերմամիջուկային սինթեզի ռեակցիան էներգետիկ ոլորտի երազանք է` սկսած 1940-ականներից, սակայն ռեակտորի պրակտիկ ռեալիզացում մինչ օրս չի եղել։ Ի տարբերություն սովորական ատոմային ռեակտորների, որոնց աշխատանքային մարմինը տաքացվում է ռադիոակտիվ իզոտոպներում տրոհման ռեակցիայի շնորհիվ, ջերմամիջուկային սինթեզի ռեակտորը պետք է կարողանա ապահովել պայմաններ, որոնց դեպքում վառելիքի ավելի թեթև ատոմները կսկսեն ձուլվել` էներգիայի անջատմամբ։ Ըստ էության, խոսքը ռեակտորում միկրոսկոպիկ աստղ ստեղծելու մասին է։
Աշխատող ջերմամիջուկային ռեակտորի ստեղծումը ծայրահեղ բարդ խնդիր է։ Կայանքում պետք է ապահովվի փակ միջավայր` համապատասխան ջերմաստիճանով, ճնշմամբ ու պլազմայի պահման ժամանակով, որպեսզի վառելիքի (ջրածնի իզոտոպների` դեյտերիումի ու տրիտիումի) ատոմները մոտ 100 մլն աստիճան ջերմաստիճանի պայմաններում սկսեն ձուլվել։ Ընդ որում, ձուլման ընթացքում անջատվող էներգիան պետք է գերազանցի վառելիքի տաքացման վրա ծախսվող էներգիան, որպեսզի ռեակտորն ինքնապահովվող լինի։
Ենթադրվում է, որ ջերմամիջուկային սինթեզի էներգետիկան զգալի առավելություններ կունենա սովորական ատոմային էներգետիկայի նկատմամբ։ Դրանց թվում է շահագործման ընթացքում ռադիոակտիվության նվազումը, բարձր ակտիվության ռադիոակտիվ թափոնների քիչ քանակությունը, վառելիքի մեծ պաշարներն ու անվտանգության շատ ավելի բարձր մակարդակը։ Այդուհանդերձ, շատ տնտեսագետներ կարծում են, որ, հաշվի առնելով ջերմամիջուկային սինթեզի արժեքը, դժվար թե այն դառնա միանձնյա, դոմինանտ էներգետիկ ռեսուրս։ Բացի այդ, չի լուծվել ռեակցիայի ընթացքում անջատվող նեյտրոնների խնդիրը, որոնք ժամանակի ընթացքում վնասում են ռեակտորին։
Ինչպես նշեցինք, 2022-ի դրությամբ գործող ջերմամիջուկային ռեակտոր գոյություն չունի, սակայն տասնյակ միլիարդավոր դոլարներ են ծախսվում էքսպերիմենտալ կայանքների կառուցման համար։ Գոյություն ունի շիկացած պլազման ռեակտորում պահելու մի քանի կոնցեպտ. z-փինչ, ստելարատորներ, մագնիսական հայելի, տոկամակ ու լազերների միջոցով իներցիալ պահում։
Z-փինչն օգտագործում է պլազմայում էլեկտրական հոսանքի առաջացումը` այն սեղմելու համար անհրաժեշտ մագնիսական դաշտի ստեղծման նպատակով։ Մագնիսական դաշտը սեղմում է վառելիքը (պլազման), ինչի շնորհիվ բարձր ճնշման պայմաններում սկսվում է սինթեզի ռեակցիա։
Մագնիսական հայելիում, ստելարատորներում ու տոկամակներում պլազմայի պահման ու սեղմման համար կիրառվում են հզոր արտաքին մագնիսներ։ Սակայն կա ևս մեկ մոտեցում, որը կախված չէ մագնիսներից. խոսքը լազերներով իներցիալ պահման մասին է, ու հենց այս ոլորտում էլ արձանագրվել է ձեռքբերումը։
ԱՎԵԼԻ ԵՐԿԱՐ՝ ԻՆՉ Է ԵՂԵԼ
Կալիֆոռնիայում գտնվող NIF-ը (National Ignition Facility) իներցիալ ջերմամիջուկային սինթեզի ոլորտում գիտափորձերի խոշորագույն ու ամենահզոր կայանքն է աշխարհում։ Ջերմամիջուկային ռեակցիայի համար անհրաժեշտ ջերմաստիճանում պլազմայի պահումն իրականացվում է իներցիայի ուժերի, ոչ թե մագնիսական դաշտերի հաշվին, ինչպես դա արվում է տոկամակներում կամ ստելարատորներում։ Դեյտերիում-տրիտիումային վառելիքով փոքր գնդաձև թիրախի տաքացման համար օգտագործվում է 192 լազերային ճառագայթ` մինչև 500 տերավատտ գումարային հզորությամբ։
Թիրախը տեղադրվում է գլանաձև հոլրաումում (այսպես են անվանում տարածությունը, որտեղ պետք է տեղի ունենա ռեակցիան), որը կլանում է լազերների ճառագայթումն ու վերաճառագայթում է այն ռենտգենի տեսքով` ավելի համաչափ տաքացնելով թիրախը։ Թիրախի մակերևույթը գոլորշիանում է ու առաջացնում հարվածային ալիք, որը տարածվում է թիրախի կենտրոնի ուղղությամբ։ Առավելագույն սեղմման ու տաքացման պահին սկսվում է ալֆա-մասնիկների առաջացմամբ ջերմամիջուկային սինթեզ, որի հաշվին պահպանվում է խառնուրդի ջերմաստիճանը։ Սակայն, ի տարբերություն ռեակցիայի պահման մագնիսական համակարգերի, ամբողջ պրոցեսը տևում է վայրկյանի միլիարդերորդ մասեր, ոչ թե տասնյակ կամ հարյուրավոր վայրկյաններ։
Ջերմամիջուկային ռեակտորի աշխատանքի էֆեկտիվությունը կարելի է նկարագրել Q պարամետրով, որը հավասար է ռեակտորի գեներացրած ջերմային հզորության հարաբերությանը ռեակտորի աշխատանքի ապահովման վրա ծախսվող հզորության նկատմամբ։ Q-ն պետք է 1-ից բարձր լինի, մասնավորապես, կառուցվող ITER միջազգային էքսպերիմենտալ տոկամակի դեպքում հաշվարկային Q-ն հավասար է 10-ի։ Գործող JET էքսպերիմենտալ տոկամակի համար այն կազմում է 0.33-0.7 տարբեր գիտափորձերի համար` վառելիքի մի քանի վայրկյան այրման դեպքում։
Նախորդ տարվա օգոստոսին NIF-ը հասավ ռեկորդային Q-ի, որը հավասար էր 0.7-ի, ընդ որում սինթեզի ռեակցիայի հաշվին վայրկյանի չորս միլիարդերորդ մասում անջատվել էր 1.3 մեգաջոուլ էներգիա։ Այս տարվա դեկտեմբերի սկզբին անջատվեց արդեն 3.15 մեգաջոուլ այն դեպքում, երբ լազերների հզորության վրա ծախսվել էր 2.05 մեգաջոուլ։
Այսպիսով, այս անգամ կայանքն իրոք հասել է գիտական անկորստայնության (scientific breakeven), սակայն մինչև ինժեներական անկորստայնություն դեռ երկար ճանապարհ կա։ Այս փուլին NIF-ը հասել էր նաև 2014-ին, սակայն այն ժամանակ խոսքը գնում էր թիրախի կլանած հզորության մասին։ Բացի այդ, անհրաժեշտ է նշել, որ NIF-ը բացառապես էքսպերիմենտալ կայանք է, այլ ոչ թե ռեակտոր։