Ar galingi lazeriai galėtų maitinti veikiantį reaktorių?

Giliai po Nevados dykuma devintajame dešimtmetyje JAV atliko slaptus branduolinių ginklų tyrimus.

Tarp eksperimentų buvo bandoma išsiaiškinti, ar branduolių sintezė, reakcija, kuri maitina saulę, gali būti suaktyvinta žemėje kontroliuojamoje aplinkoje.

Eksperimentai buvo įslaptinti, tačiau tarp fizikų buvo plačiai žinoma, kad rezultatai buvo daug žadantys.

Šios žinios patraukė dviejų jaunų absolventų, dirbančių Los Alamos nacionalinėje laboratorijoje 2000-ųjų pabaigoje, Conner Galloway ir Alexander Valys dėmesį.

Los Alamos laboratorija iš pradžių buvo įkurta 1943 m. kaip itin slapta vieta pirmiesiems branduoliniams ginklams sukurti. Įsikūręs netoli Santa Fe, Naujojoje Meksikoje, dabar tai yra JAV vyriausybės tyrimų ir plėtros įstaiga.

„Kai mes su Aleksu sužinojome apie tuos bandymus Los Alamose, mūsų reakcija buvo tokia: „Oho, inercinė sintezė jau suveikė! buvo pasiektas“, – sako J. Galloway.

Branduolio sintezė yra vandenilio branduolių susiliejimo procesas, kurio metu gaunamas didžiulis energijos kiekis. Reakcijos metu susidaro helis, o ne ilgaamžės radioaktyviosios dalijimosi atliekos, kurios naudojamos esamose atominėse elektrinėse.

Jei sintezę galima panaudoti, tai žada daug elektros energijos, pagamintos nesukuriant CO2.

Dėl šių bandymų devintajame dešimtmetyje JAV vyriausybė Kalifornijoje pastatė Nacionalinį uždegimo įrenginį (NIF) – projektą, skirtą išsiaiškinti, ar branduolinio kuro granules galima uždegti naudojant galingą lazerį.

Po daugiau nei dešimtmetį trukusio darbo 2022 m. pabaigoje NIF mokslininkai padarė proveržį. Mokslininkai atliko pirmąjį kontroliuojamą sintezės eksperimentą, kad iš reakcijos pagamintų daugiau energijos, nei tiekiama ją sukėlusiais lazeriais.

Nors viso pasaulio fizikai stebėjosi šiuo proveržiu, NIF mokslininkams tai užtruko daug ilgiau nei tikėtasi.

„Jie buvo alkani energijos“, – sako J. Galloway.

Jis nereiškia, kad jiems reikėjo daugiau užkandžių, vietoj to NIF lazeris buvo pakankamai galingas, kad uždegtų kuro granules.

M. Galloway ir J. Valys mano, kad galingesni lazeriai leis sukurti veikiančią sintezės reakciją, kuri gali tiekti elektros energiją į elektros tinklą. Norėdami tai padaryti, jie įkūrė „Xcimer“, įsikūrusią Denveryje.

NIF turėjo apsieiti su lazeriu, galinčiu išpumpuoti du megadžaulius energijos. J. Galloway ir J. Valys planuoja eksperimentuoti su lazeriais, galinčiais tiekti iki 20 megadžaulių energijos.

„Manome, kad 10–12 (megadžaulių) yra geriausia vieta komercinei elektrinei“, – sako J. Galloway.

Toks lazerio spindulys galingu smūgiu pataikytų į kuro kapsulę. Tai būtų panašu į 40 tonų sveriančio šarnyrinio sunkvežimio, važiuojančio 60 mylių per valandą, energiją ir sutelkiant ją į centimetro dydžio kapsulę kelioms milijardinėms sekundės dalims.

Galingesni lazeriai leis Xcimer naudoti didesnes ir paprastesnes degalų kapsules nei NIF, kuriai jas buvo sunku tobulinti.

Xcimer prisijungia prie dešimčių kitų organizacijų visame pasaulyje, bandančių sukurti veikiantį branduolių sintezės reaktorių.

Yra du pagrindiniai požiūriai. Kuro granulių sudaužymas lazeriais patenka į inercinio uždarymo lydymosi kategoriją.

Kitas būdas, žinomas kaip magnetinio uždarymo sintezė, naudoja galingus magnetus, kad gaudytų degantį atomų debesį, vadinamą plazma.

Abu metodai turi įveikti bauginančius inžinerinius iššūkius.

Visų pirma, kaip išgauti šilumą, susidarančią sintezės metu, kad galėtumėte su ja padaryti ką nors naudingo, pavyzdžiui, varyti turbiną gaminti elektrą?

„Manau, kad mano skepticizmas yra toks, kad dar net nemačiau įtikinamos konceptualios schemos, kaip jūs valdote energijos išėmimo procesą, išlaikant sintezės reakciją“, – sako profesorius Ianas Lowe’as iš Grifito universiteto Australijoje.

Savo ilgą karjerą jis praleido dirbdamas energetikos tyrimų ir politikos srityse. Nors profesorius Lowe palaiko branduolių sintezės technologijų plėtrą, jis tik teigia, kad veikiantis branduolių sintezės reaktorius nebus pakankamai greitas, kad padėtų sumažinti CO2 emisiją ir kovoti su klimato kaita.

„Man rūpi tai, kad net optimistiškiausias požiūris yra toks, kad mums pasisektų iki 2050 m. turėti komercinius branduolių sintezės reaktorius. Ir dar ilgai iki to laiko turime dekarbonizuoti energijos tiekimą, jei netirpdysime planetos“, – sakė jis. sako.

Kitas iššūkis yra tas, kad sintezės reakcijos metu susidaro didelės energijos dalelės, kurios suardys plieną arba bet kokią kitą medžiagą, išklojančią reaktoriaus šerdį.

Branduolinės sintezės pramonės atstovai neneigia inžinerinių iššūkių, tačiau mano, kad juos galima įveikti.

Xcimer planuoja panaudoti išlydytos druskos „krioklį“, tekantį aplink sintezės reakciją, kad sugertų šilumą.

Steigėjai įsitikinę, kad gali paleisti lazerius ir pakeisti kuro kapsules (po vieną kas dvi sekundes), išlaikydami tą srautą.

Išlydytos druskos srautas taip pat bus pakankamai storas, kad sugertų didelės energijos daleles, kurios gali pažeisti reaktorių.

„Mes tiesiog turime du palyginti mažus lazerio spindulius, patenkančius iš abiejų (kuro granulių) pusių. Taigi jums tereikia pakankamai didelio srauto tarpo tiems spinduliams ir jums nereikės išjungti ir įjungti viso srauto“, – sako ponas Valys.

Tačiau kaip greitai jie gali priversti tokią sistemą veikti?

„Xcimer“ planuoja dvejus metus eksperimentuoti su lazeriais, prieš pastatydamas tikslinę kamerą, kurioje jie galėtų nukreipti kuro granules.

Paskutinis etapas būtų veikiantis reaktorius, kuris, jų manymu, bus prijungtas prie elektros tinklo 2030-ųjų viduryje.

Norėdami finansuoti pirmąjį savo darbo etapą, „Xcimer“ surinko 100 mln. USD (77 mln. GBP). Pinigai bus panaudoti įrenginiui Denveryje ir lazerinės sistemos prototipui statyti.

Norint pastatyti veikiantį reaktorių, reikės dar šimtų milijonų dolerių.

Tačiau „Xcimer“ įkūrėjams ir kitiems sintezės startuoliams pigios, anglies dioksido neišskiriančios elektros energijos perspektyva yra nenugalima.

„Žinote, tai pakeis žmonijos pažangos trajektoriją“, – sako J. Valys.