Kaskart „Sandia“ nacionalinėje laboratorijoje Albukerkėje (Naujosios Meksikos valstija, JAV) plazmą tiriantiems fizikams, įžiebus termobranduolinės sintezės reaktorių, didelė techninės įrangos dalis virsta dūmais.
Jų „Z mašinoje“ naudojamos kondensatorių baterijos, talpinančios daugiau energijos nei tūkstantis žaibų. Nuspaudus mygtuką, per pieštuko trintuko dydžio cilindrą, pripildytą kuro, ima tekėti 20 milijonų amperų srovė.
Elektros laukas sukuria gniuždančiai galingą magnetinį lauką, cilindrą suspaudžiantį taip greitai ir stipriai, kad viduje esantys vandenilio atomai susilieja į helio atomus, tuo pačiu išsviesdami didelės energijos neutronus ir helio branduolius (dar vadinamus ? dalelėmis). Srovė išgarina cilindrą laikančią konstrukciją – 10 kilogramų metalo.
„Iš esmės, panaudojame trijų dinamito lazdelių energiją, – palygina projekto vadovas Mike’as Cuneo. – Po bandymo lieka pėdos skersmens krateris.“ Dabar fizikai rengiasi pokštelėti dar stipriau, pridėdami į mišinį vertingo kuro, naudojamo termobranduoliniuose ginkluose, taip padidindami tiek riziką, tiek ir galimą gauti naudą.
Pastaraisiais metais publikuoti skaičiavimai, simuliacijos ir bandymų rezultatai rodo, kad „Sandia“ aparatu būtų galima greičiau ir pigiau pasiekti save palaikančią sintezę, nei kitais būdais, kai kuras apšaudomas lazeriais ar laikomas reaktoriuose, vadinamuosiuose tokamakuose.
Bet kol kas „Z mašina“ savo galią dažniausiai demonstravo su deuteriu (vandenilio izotopas, branduolyje turintis vieną neutroną), kuris išlaisvina ne tiek daug sintezės energijos. Rugpjūtį tyrėjai pridėjo šiek tiek tričio – vandenilio izotopo, turinčio du neutronus. Per ateinančius metus bus atliekami bandymai su vis didesne tričio dalimi, kol galiausiai deuterio ir tričio mišinyje (DT) jų bus po lygiai.
Termobranduolinei sintezei naudojant 50-50 DT kurą, išskiriama 60–90 kartų daugiau neutronų nei naudojant vien deuterį, ir kiekvienas DT sintezės metu išlaisvintas neutronas ir ? dalelė turi daugiau nei keturis kartus daugiau energijos, nei vien iš deuterio sudaryto kuro atveju.
Tričio daliai kure artėjant prie 50 proc., išlaisvintos energijos kiekis turėtų šokti viršun. Kiti termobranduolinės sintezės bandymai ėjo panašiu keliu.
1997 metais Jungtinis Europos toras (JET), tokamakas Abingdone (Jungtinė Karalystė), degino 50-50 DT, generuodami 16 megavatų galios, nors ir trumpiau nei sekundę. Tas bandymas pasiekė iki šiol nepagerintą termobranduolinės sintezės metu išskirtos energijos rekordą.
Bet JET reaktoriaus sienelėse esantis grafitas ribojo energijos atidavimą. „Anglis sugeria tritį kaip kempinė, tad apie 70 proc. įterpto tričio pasiliko sienelėse“, – prisimena Xavier Litaudon, vadovaujantis ITER fizikos departamentui Oksforde (Jungtinė Karalystė), ir dabar besistengiantis praplėsti JET finansavimą, kad būtų įtraukti nauji DT eksperimentai 2019 metais.
ITER, biudžetą viršijantis ir nuo grafiko atsiliekantis tarptautinis tokamako projektas, įgyvendinamas Cadarache, Prancūzijoje, rengiasi galiausiai naudoti DT, kad vykstanti termobranduolinė sintezė išskirtų gerokai daugiau energijos nei sunaudoja.
Kitaip nei tokamakas, karštos plazmos srautą stabilizuojantis magnetiniu lauku, „Z mašina“ mikrosekundę trunkančio išlydžio metu įkaitintą kurą išlaiko inercija ir magnetiniu lauku. Toks būdas, vadinamas magnetine inercine sinteze, labiau primena Lawrence Livermore nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje „National Ignition Facility (NIF) pastangas, kur trilijono vatų galios lazeriai įkaitina kuro kapsules, taip sukeldami termobranduolinę sintezę.
„Sandia“ ir NIF mokslininkams nereikia nerimauti dėl tritį sugeriančio grafito, nes, kitaip nei tokamakuose, jų aparatuose ribojančių sienų nėra. Be to, pažymi M. Cuneo, kitaip nei NIF, „Z mašinos“ magnetinis laukas gali sulėtinti atsirandančias ? daleles, įkalinti jas magnetinio lauko linijose ir taip suteikti daugiau energijos sintezės palaikymui.
„Sandia“ yra vienas iš vos trijų termobranduolinės sintezės centrų, naudojančių DT (žr. lentelėje žemiau). Viena problema yra kaina. Tričio gramas kainuoja dešimtis tūkstančių dolerių, nes gamtinio tričio telkinių nėra; jis gaunamas atominiuose reaktoriuose kaip šalutinis skilimo produktas.
Kitas klausimas – saugumas. „Tritis šiek tiek radioaktyvus – jo pusinio skilimo trukmė 12 metų, – tad reglamentas reikalauja su juo elgtis itin atsargiai“, – sako Richas Hawrylukas, Prinstono plazmos fizikos laboratorijos (PPPL) Naujajame Džersyje tyrėjas.
Negana to, DT sintezės metu išsiskiriantys neutronai susiduria su plieno konstrukcijomis ir jos pasidaro šiek tiek radioaktyvios. Taigi kai PPPL po dešimtajame dešimtmetyje vykdytų DT bandymų uždarė reaktorių, kambario dydžio indas buvo užlietas betonu, supjaustytas ir užkastas Hanfordo branduoliniame komplekse Vašingtono valstijoje. Esant vandens, taip pat ir drėgname ore, tritis gali virsti tričio vandeniu, kuris mažiausiai dešimt tūkstančių kartų biologiškai kenksmingesnis už grynas T₂ dujas, pastebėjo R. Hawrylukas. Dėl to ypatingą nerimą kelia „Z mašina“, kurioje elektriniai komponentai izoliuoti tepalo ir vandens talpose.
„Nenorime, kad į juos patektų tričio“, – sakė M. Cuneo. NIF tritis ne toks pavojingas, nes laikomas mažoje sferoje, o darbuotojai į mašinos vidų dažnai neužsuka. Tuo metu „Sandia“ kapsulės yra atviros abiejuose galuose ir galingas gniuždymas sumaišo nesureagavusį tritį su į visas puses išgaravusiu metalu.
„Po kiekvieno bandymo žmonės turi eiti į vidų ir visiškai pakeisti greitintuvo centrą“, – paaiškino M. Cuneo. Kaip bebūtų, „Sandia“ ketina naudoti tritį, iš dalies dėl to, kad papildomai išskiriami neutronai atskleidžia, kas dedasi karščiausioje ir tankiausioje trumpai gyvuojančios plazmos dalyje, kur fizika nėra taip gerai suprasta.
Per kitais metais numatytus tris įjungimus jie pašalins tričio sulaikymo sistemą nuo mėginio, taip siekdami patikrinti oro valymo sistemą ir geriau aptikti neutronus, sakė M. Cuneo.
„Naujausi rezultatai džiugina, nors tričio tėra dešimtoji procento dalis, – pridūrė jis. – Buvo apėmusios abejonės, ar galėsime iš vis kada nors naudoti tritį.“
Apie „Z mašiną“ plačiau – video reportaže:
