Branduolių sintezė: kas tai, kaip vyksta ir kokią reikšmę turi energetikoje

Sužinokite, kas yra branduolių sintezė, kaip ji vyksta ir kodėl ji gali pakeisti energetiką — švari, beveik neribota energija ir moksliniai iššūkiai.

Branduolių sintezė – tai procesas, kai du lengvesni branduoliai susijungia ir sudaro vieną sunkesnį branduolį (tai yra atomo dalis). Tokios reakcijos metu išsiskiria didelis kiekis energijos, todėl šis reiškinys priskiriamas prie branduolinių reakcijų. Iš pirmo žvilgsnio naujai susidaręs branduolys būna sunkesnis už kiekvieną iš pradiniame poroje buvusių branduolių, tačiau jis yra lengvesnis už abiejų pradinių branduolių masių sumą. Prarasta masė pavirsta energija pagal žinomą formulę E=mc² (Einšteino lygtyje), kuri paaiškina, kodėl sintezės reakcijos išlaisvina didžiulį energijos kiekį.

Kaip vyksta branduolių sintezė

Norint, kad du teigiamai įkrauti branduoliai susijungtų, reikia įveikti jų tarpusavyje veikiančio elektrostatinio atstūmimo (Kulonų barjero) jėgas. Tam reikalingi labai aukšta temperatūra ir (arba) didelis slėgis, kurie suteikia branduoliams reikalingą kinetinę energiją, kad jie galėtų smogti vienas į kitą ir susijungti. Kartais svarbų vaidmenį atlieka kvantinis tuneliavimas, leidžiantis dalelėms susijungti net tada, kai jų energija yra truputį mažesnė nei klasikinis barjeras.

Žemės sąlygomis dažniausiai nagrinėjamos sintezės reakcijų rūšys yra deuterio–tritio (D–T) reakcija, deuterio–deuterio (D–D) reakcijos ir protonų grandinė ar CNO ciklas žvaigždėse. D–T reakcija yra palankiausia eksperimentams dėl santykinai žemo reikalingo energijos slenksčio ir didelio išsiskiriančios energijos kiekio.

Branduolių sintezė žvaigždėse

Žvaigždžių, tokių kaip Saulė, gelmėse vyksta nuolatinė branduolių sintezė: lengvi izotopai, pavyzdžiui vandenilio izotopai, jungiasi ir sudaro helį, išskirdami energiją. Ši energija palaiko žvaigždės šilumą ir šviesą, taip pat subalansuoja gravitacinį susitraukimą.

Nė visos branduolių poros negali susijungti toliau: sunkesni elementai jungiasi sunkiau. Pagal branduolių jungimosi energijos kreivę, daugiausia energijos išsinėšia tol, kol susidaro elementai iki geležies. Geležies branduolio susijungimas su kitais branduoliais energijos nebeatneša – tai reiškia, kad sintezės reakcijos nustoja būti energetiškai naudingos. Kai žvaigždė sukaupusi geležies branduolių, jos vidaus energijos šaltiniai išsenka ir gali įvykti žvaigždės žūtis ar sprogimas (supernova), per kurį susidaro dar sunkesni elementai kitais procesais, pvz., neutronų sugavimo metu.

Branduolių sintezė Žemėje: kaip bandoma kontroliuoti

Žemėje branduolių sintezės reakcijų inicijavimas ir valdymas yra sudėtinga užduotis. Reikia pasiekti aukštas temperatūras (milijonus laipsnių) ir užtikrinti pakankamą dalelių konfinkciją laiko trukmei – kad būtų gautas teigiamas energijos balansas (išsiskyrusi energija didesnė už reikiamą įvestį).

Yra dvi pagrindinės technologijų kryptys:

• Magnetinė kliūtis (magnetinis sulaikymas): plasma (įkaitintas dujų mišinys) sulaikoma stipriais magnetiniais laukas, kad ji nesiliestų su sienelėmis. Žinomiausi prietaisai – tokamakai (pvz., JET, TFTR, KSTAR, EAST) ir stelaratoriai. Didžiausias šiuo metu statomas tarptautinis projektas – ITER Prancūzijoje.
• Inercinė sulaikymo sintezė (inertial confinement): kuro kapsulė smarkiai suspaudžiama ir įkaitinama naudojant galingus lazerius arba daleles (pvz., NIF – Nacionalinis išorinės implozijos centras JAV). Tai trumpalaikės, labai intensyvios sprogstelėjusios sąlygos.

Pastaraisiais metais pasiekta reikšmingų laimėjimų: eksperimentai parodė „degimą“ arba didelį sintezės produktyvumą lokaliuose bandymuose, o technologijos tobulėja. Tačiau reikia pabrėžti, kad praktinis, ekonomiškai rentabilus ir ilgalaikis sintezės reaktorius dar nėra įdiegtas kaip komercinis energijos šaltinis.

Iššūkiai, techniniai aspektai ir sauga

• Energetinis balansas (Q)>: norima, kad reaktorius pagamintų daugiau naudingos energijos, nei suvartoja. Tai reiškia ne tik daugiau energijos iš reakcijų, bet ir mažesnes energijos sąnaudas plazmos sukurimui bei palaikymui.
• Plazmos stabilumas: aukštos temperatūros plazma linkusi į nestabilumus (bangas, turbulenciją), kuriuos reikia valdyti, kad neįvyktų energijos nuostoliai ar pažeidimai.
• Medžiagų įtampa ir neutronų krovos: sintezės reakcijose, ypač D–T reakcijoje, išsiskiriantys neutrinai ir greiti neutronai veikia reaktoriaus medžiagas, sukelia jų aktyvaciją ir pažeidimus. Reikia atsparių ir lengvai prižiūrimų konstrukcinių medžiagų.
• Tricijaus tiekimas ir audai: tričio kiekis gamtoje mažas, todėl reaktoriuose numatoma jį gaminti iš ličio (tritium breeder systems). Reikia spręsti tritiumo saugumo ir uždarymo klausimus.
• Saugumas: sintezės reaktoriai turi pranašumų – nėra grandininės reakcijos pavojaus (kaip branduolinės skilimo reaktoriuose), o bet kokia anomalija paprastai veda į reakcijos slopinimą, todėl rizika neproporcingai dideliems avariniams scenarijams mažesnė. Visgi reikia valdyti neutronų sukeliamą aktyvaciją ir tritiumo tvarkymą.

Privalumai ir reikšmė energetikoje

Branduolių sintezė turi kelis svarbius privalumus, dėl kurių ji laikoma perspektyvia ilgalaike energijos šaltinio alternatyva:

• Fuelis: deuteris gaunamas iš jūros vandens gausiai, o ličio – iš Žemės plutos; tai suteikia didelį privalumą lyginant su iškastiniu kuru.
• Mažai ilgalaikės radioaktyvios atliekos: nors neutronai aktyvuoja reaktoriaus konstrukcijas, generuojamos radioaktyvios atliekos paprastai turi trumpesnį pusperiodį nei skilimo reaktorių atliekos.
• Mažesnė avarijų rizika: sintezės reaktorius neišsiskiria grandinine reakcija, todėl jų veikimas yra „savaime saugesnis“.
• Mažesnės klimato įtakos: sintezės procesai neskleidžia anglies dioksido ar šiltnamio efektą sukeliančių dujų tiesiogiai.

Ateities perspektyvos ir realybės laikas

Mokslininkai ir inžinieriai deda daug pastangų, kad branduolių sintezę paverstų komerciniu elektros šaltiniu. Projekto mastas – didelis (ITER ir kiti demonstraciniai reaktoriai) – ir reikalauja tiek technologinių, tiek ekonominių sprendimų. Kai kurie ekspertai prognozuoja, kad pirmieji komerciniai sintezės reaktoriai galėtų atsirasti šio amžiaus viduryje, tačiau šis laikas priklausys nuo tolimesnių techninių iššūkių sprendimo, investicijų ir reguliavimo.

Trumpai apibendrinant: branduolių sintezė yra perspektyvus, galingas ir švarus energijos šaltinis, kuriam trūksta paskutinio žingsnio – patikimo, ekonomiškai naudingai veikiančio prietaiso, galinčio nuolat tiekti elektros energiją elektros tinklui. Vykdomi tarptautiniai projektai (pvz., ITER), eksperimentai ir naujos technologijos (pvz., pažangios medžiagos, aukštesnės efektyvumo magnetinės sistemas, nauji užliesimo metodai) pamažu artina šią perspektyvą prie realybės.

Jei domina giliau: stebėkite naujausias žinias apie pagrindinius projektus (ITER, JET, NIF, KSTAR, EAST) ir technologijų pažangą — per artimiausius dešimtmečius gali įvykti reikšmingi proveržiai.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra branduolinė sintezė?

K: Kaip šis procesas vyksta?

Klausimas: Kur vyksta šis procesas?

K: Ar visi elementai gali susijungti sintezės būdu?

Klausimas: Ar lengva pradėti branduolių sintezės reakcijas Žemėje?

K.: Ar kam nors pavyko kontroliuoti arba suvaldyti šias reakcijas, kad būtų galima gaminti elektrą?

K: Kas iki šiol pavyko branduolinės sintezės srityje?

Paieška pagal raidę