Üks anekdoot on teada: tuumasüntees toimub kahekümne aasta pärast. Alati saab kahekümne aasta pärast. See nali, mis pole nüüd enam naljakas, kasvas välja teadlaste optimismist, kes 1950. aastatel (ja igal järgneval kümnendil) arvasid, et tuumasüntees on alles 20 aasta kaugusel. Nüüd on startup võtnud seda anekdooti tõsiselt - MIT-i (Massachusettsi tehnoloogiainstituut), kõrgelt hinnatud ja kuulsa institutsiooni - Commonwealth Fusion Technologies - emakeelena. Käivitamine lubab käivitada töötava tuumasünteesireaktori 15 aasta pärast. Lubab odavat, puhast ja piiramatut energiat, mis lahendab kõik fossiilkütuste ja kliimamuutuste kriisid. Nad ütlevad: "potentsiaalselt ammendamatu ja süsinikuvaba energiaallikas."
Ainus probleem: me oleme seda juba mitu korda kuulnud. Mis seekord teistmoodi on?
Teine kuulus klišee puudutab termotuumasünteesi energiat. Idee on lihtne: paned päikese pudelisse. Jääb üle vaid pudeli ehitamine. Tuumasünteesienergia annab tähtedele võimu, kuid plasma toimimiseks on vaja uskumatult kuumi ja tihedaid tingimusi.
Tohutu energiahulk võib vabaneda, kui kaks kerget tuuma sulanduvad koos: deuteerium-triitiumi liitmine, mis viiakse läbi ITER-eksperimendi osana, kiirgab 17,6 MeV reaktsiooni kohta, miljon korda rohkem energiat molekuli kohta, kui saate TNT plahvatusest. Kuid selle energia vabastamiseks peate ületama võimsa elektrostaatilise tõrke tuumade vahel, mis mõlemad on positiivselt laetud. Tugev interaktsioon väikeste vahemaade järel viib liitumiseni, mis vabastab kogu selle energia, kuid tuumad tuleb viia femtomeetritele väga lähedale. Tähtedes juhtub see iseenesest materjali kolossaalse gravitatsioonilise rõhu tõttu, kuid Maal on see keerulisem.
Kõigepealt peate proovima leida materjale, mis säiliksid pärast kokkupuudet sadade miljonite kraadide temperatuuridega.
Plasma koosneb laetud osakestest; aine ja elektronid pestakse ära. Seda saab paigal hoida magnetväli, mis voldib plasma ringi. Magnetväljaga manipuleerimine võimaldab ka seda plasmat tihendada. 1950. ja 1960. aastatel ilmus terve põlvkond eksootiliste nimedega seadmeid: selleks loodud Stellarator, Perhapsatron, Z-Pinch. Kuid plasma, mida nad üritasid hoida, oli ebastabiilne. Plasma ise genereerib elektromagnetvälju, seda saab kirjeldada magnetohüdrodünaamika väga keeruka teooria abil. Plasma pinna väikesed kõrvalekalded või defektid väljusid kiiresti kontrolli alt. Lühidalt öeldes - seadmed ei töötanud nagu ette nähtud.
Nõukogude Liit töötas välja tokamaki seadme, mis pakkus märkimisväärselt paremat jõudlust. Samal ajal leiutati laser, mis võimaldab uut tüüpi sünteesi - sünteesi inertsiaalse kinnistumisega.
Sel juhul ei ole enam vaja hoida plasma põlemist magnetväljades, see on vajalik lühikese aja jooksul laserite abil plahvatuse teel kokku suruda. Kuid inertsiaalse kinnistumisega katsed kannatasid ka ebastabiilsuse all. Need on tegutsenud alates 1970. aastatest ja võivad ühel päeval oma teed saada, kuid seni suurim, Californias Livermore'is asuv riiklik süütelabor pole kunagi jõudnud murdepunkti, kus toodetakse rohkem energiat kui kulutatakse.
Reklaamvideo:
Suur osa lootusest on ITERiga, maailma suurima magnetilise sulandumisega termotuumaskiga, mis on alles ehitamisel.
Projekti arendajad loodavad plasma süttida 20 minuti jooksul, et toota 500 MW võimsust nimivõimsusega 50 MW. Termotuumasünteesi katsed on kavandatud 2035. aastaks, kuid probleemid USA, NSV Liidu (siis veel siis), Jaapani ja Euroopa vahelise rahvusvahelise koostööga tõid kaasa pika viivituse ja eelarve venimise. Projekt on hilinenud 12 aastat ja maksab 13 miljardit dollarit. See pole haruldane projektide puhul, mille jaoks on vaja ehitada suuri rajatisi.
ITERi plaani kohaselt peaks esimene termotuumasünteesireaktor, mis töötab tuumasünteesi süüdata ja toetama, DEMO, töötama 2040. või isegi 2050. aastal. Teisisõnu, tuumasüntees … toimub kahekümne aasta pärast. Ebastabiilsusega seotud probleeme on kalduvus lahendada üha enam rajatisi ehitades. ITER on suurem kui JET ja DEMO on suurem kui ITER.
Aastate jooksul on paljud meeskonnad esitanud väljakutse väiksema disainiga rahvusvahelisele koostööle. Küsimus pole kiiruses, vaid praktilisuses. Kui termotuumasünteesireaktori ehitamine võtab tõesti miljardeid dollareid ja kümneid aastaid, kas see on seda üldse väärt? Kes maksab ehituse eest? Ehk selleks ajaks, kui töötav tokamak on üles ehitatud, annavad päikesepaneelide ja uute akude kombinatsioonid meile energiat, mis on odavam kui tokamakil. Mõned projektid - isegi kurikuulus "tuumasüntees" - osutusid valedeks või ei tööta.
Teised väärivad suuremat tähelepanu. Uute termotuumasünteesireaktorite loomisega alustajad - või mõnel juhul ka vanemate katsete muudetud versioonid.
Tri Alpha loodab põrkuda plasmapilved struktuuris, mis meenutab Suurt Hadroni põrkumist, ja seejärel hoida termotuumasünteesi plasma magnetväljas piisavalt kaua, et tasa teha ja toota energiat. Neil õnnestus saavutada nõutavad temperatuurid ja plasma suletus mõne millisekundi jooksul ning nad kogusid ka riskikapitali enam kui 500 miljonit dollarit.
Salajaste projektide poolest tuntud Lockheed Martin Skunk Works tegi 2013. aastal mõõna, teatades, et nad töötavad kompaktse, 100 MW võimsusega termotuumareaktoriga, mis on reaktiivmootoriga. Sel ajal väitsid nad, et prototüüp valmib viie aasta pärast. Muidugi ei avaldanud nad disaini üksikasju. 2016. aastal kinnitati, et projekt saab rahastust, kuid paljud on juba kaotanud usu ja omandanud skeptiku.
Ja kogu selle häbiposti taustal purskasid MIT-i teadlased. Rahvaste Ühenduse termotuumasünteesi tegevjuht Bob Mumgaard ütles: „Oleme pühendunud sellele, et hankida kliimamuutustega võitlemiseks õigeaegselt töökoht. Arvame, et projekti teadus, kiirus ja mastaap võtab aega viisteist aastat."
MITi uus projekt järgib tokamaki kujundust, nagu seda on tehtud ka varem. Väidetavalt peaks SPARC seade tootma 100 MW energiat 10-sekundiliste sünnitusimpulssidena. Impulssidest on energiat juba varem olnud võimalik saada, kuid murdepunkt on see, mis teadlasi tegelikult köidab.
Eriliseks kastmeks on sel juhul ütrium-baarium-vasoksiidist valmistatud uued kõrge temperatuuriga ülijuhtivad magnetid. Arvestades, et HTSM suudab tavaliste magnetidega samal temperatuuril luua võimsamaid magnetvälju, on võimalik plasma tihendamine väiksema sisendvõimsusega, väiksema magnetseadmega ja sünteesitingimuste saavutamine seadmes, mis on 65 korda väiksem kui ITERil. See on plaan igal juhul. Nad loodavad järgmise kolme aasta jooksul luua ülijuhtivaid magneteid.
Teadlased on optimistlikud: „Meie strateegia on kasutada konservatiivset füüsikat, mis põhineb aastakümnete pikkusel tööl MIT-is ja mujal,“ütles MIT-i plasmateaduse ja termotuumasünteesi keskuse dotsent Martin Greenwald. "Kui SPARC saavutab oodatud jõudluse, dikteerib minu instinkt, et seda saab muuta tõeliseks elektrijaamaks."
On ka palju teisi projekte ja idufirmasid, mis lubavad sarnaselt mööda minna kõikvõimalikest tokamakidest ja rahvusvahelise koostöö eelarvest. Raske öelda, kas keegi neist leiab sünteesi salajase koostisosa või kas ITER võidab oma kaaluga teadusringkondades ja riikide toetusel. Endiselt on raske öelda, millal ja kas termotuumasünteesist saab parim energiaallikas. Süntees on keeruline. Nii näitab ajalugu.
Ilja Khel
