Ar semsimės energijos kaip žvaigždės?

Vienas prancūzų mokslininkas pašmaikštavo, kad žmonija pasiryžo uždaryti Saulę į dėžę. Sumanymas nuostabus, tačiau problema ta, kad nežinome, kaip tą dėžę padaryti.

Europos Sąjunga, Indija, Japonija, JAV, Kinija, Pietų Korėja ir Rusija 2006 metais sutarė, o šiemet pradeda statyti tarptautinį termobranduolinį eksperimentinį reaktorių (ITER). Jam pasirinktas pietų Prancūzijos miestelis Kadarašas (Cadarache’as).

Į pasaulinį ateities energetikos projektą įsitraukė ir Lietuvos mokslininkai. LŽ kalbino dviejų kartų atstovus: Lietuvos energetikos instituto (LEI) vyresnįjį mokslo darbuotoją, Vytauto Didžiojo universiteto (VDU) profesorių Liudą Pranevičių, koordinuojantį termobranduolinio reaktoriaus pirmosios sienelės projektą Lietuvoje, ir VDU Gamtos mokslų fakulteto Fizikos katedros vedėją akademiką prof. Liudviką Pranevičių, kadaise tyrinėjusį pirmosios sienelės problemas Rusijoje pastatytame pačiame pirmajame toroidiniame reaktoriuje tokamake.

Dirbtinė Saulė

Iš rusų kalbos kilęs ir tarptautiniu žodžiu tapęs tokamakas reiškia riestainio formos, magnetinį lauką sukuriantį įrenginį, skirtą plazmai sulaikyti. Jį dar praėjusio amžiaus viduryje išrado buvusios Sovietų Sąjungos fizikai Igoris Tamas ir Andrejus Sacharovas.

Kaip pasakojo L.Pranevičius jaunesnysis, sintezės reakcijos idėja yra labai sena. Dar trečiajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje buvo padaryta prielaida, kad tokiu būdu gaunama energija Saulėje. Kai rusai sukūrė tokamaką, atsirado viltis, kad tokia reakcija gali pavykti dirbtiniu būdu.

Jei pasisektų sukurti vadinamąją dirbtinę saulę, žemėje būtų išspręsta energetikos problema. Termobranduolinės sintezės reaktorių kuras – dvi sunkesnės vandenilio atmainos deuteris ir tritis. Deuterio yra vandenyno vandenyje. Tričio galima pasigaminti pačiame reaktoriuje iš ličio, o jo žemėje yra labai daug.

Sintezės reakcijoms, natūraliai vykstančioms Saulės branduolyje, dėl didžiulio gravitacinio spaudimo užtenka maždaug 10 mln. laipsnių karščio. Žemėje spaudimas yra daug mažesnis ir sintezės reakcijoms reikia aukštesnės nei 100 mln. laipsnių temperatūros.

„Saulėje per sekundę 600 mln. tonų vandenilio virsta į helį. Labai didelės gravitacinės jėgos suspaudžia vandenilio branduolius taip, kad jie gali susijungti. Žemėje reikia kažkaip dirbtinai juos įkaitinti ir suspausti, – pasakojo pašnekovas. – Būtent toroidiniai reaktoriai ir leidžia tai padaryti. Pavyzdžiui, dabar planuojamame reaktoriuje magnetinis laukas turėtų būti 200 tūkst. kartų stipresnis nei žemės.”

Laimė ar nelaimė

Didžiausia problema – kaip išlaikyti tokią aukštą temperatūrą ir labai koncentruotą plazmą. Klasikiniuose skilimo reaktoriuose (jų kuras yra uranas) sunkieji branduoliai atskyla ir yra didelė saugos problema – kaip sustabdyti reakciją, kad ji nesibaigtų sprogimu. Sintezės reaktorių problema kita – kaip tokioje aukštoje temperatūroje išlaikyti reakciją, kad ji vyktų nenutrūkstamai. Šiuo metu ją išlaikyti pavyksta apie 60 sekundžių. Daugiausia sunkumų sukelia plazmos sąveika su reaktoriaus sienele. Į plazmą patenkančios šiukšlės ją aušina ir atšalusi ji tiesiog užgęsta.

„Mūsų projektas kaip tik ir yra naujų tokamako pirmosios sienelės medžiagų kūrimas ir tyrimas. Sakyčiau, labai maloni reaktoriaus vieta, – juokavo L.Pranevičius jaunesnysis. – Ten didžiausia temperatūrinė apkrova ir neutroninis švitinimas. Dirbame daugiausia su volframo medžiagomis, plonomis jo dangomis ir, bendradarbiaudami su kitais užsienio centrais, bandome kai ką pasiūlyti reaktoriui. Daugiausia bendradarbiaujame su Max Plancko institutu Vokietijoje. Jis turi ir savo tokamaką.”

Didžiausi naujausios kartos toroidiniai reaktoriai pasaulyje yra trys: vieną turi JAV, vieną – Europa (jis pastatytas Anglijoje) ir vieną – Japonija. Dar yra jų mažesnių, pavyzdžiui, minėtame Max Plancko institute.

LEI ir VDU mokslininkų atliekamas pirmosios sienelės medžiagų tyrimas yra didžiausias Europos atominės energetikos bendrijos EURATOM projektas Lietuvoje. Kiti – mažesni. Pavyzdžiui, taip pat LEI įgyvendinama socialinė ir ekonominė studija bei su saugos problemomis susijęs projektas. Teorinės fizikos ir astronomijos institutas atlieka daugiau teorinius darbus, susijusius su tokamako plazmos tyrimais.

„Nežinau, ar laimė ar nelaimė, kad dalyvaujame sprendžiant vieną didžiausių, būtent pirmosios sienelės ir plazmos sąveikos su sienele, problemų, – kalbėjo pašnekovas. – Kai parašėme paraišką, iš tikrųjų nelabai tikėjausi, kad gausime tą projektą. Iš mūsų truputėlį ir pasijuokdavo: su savo ambicijomis – į reaktoriaus vidų ir dar į tokią vietą! Tačiau įvertino techninė ekspertizė, buvo daug diskusijų dėl techninių detalių ir projekto, keitėsi jo vykdymas ir techninė užduotis, bet projektą gavome! Problema labai aktuali ir nelabai aišku, kaip ją išspręsti. Viena silpniausių viso reaktoriaus grandžių. Neseniai buvau metiniame susitikime Vokietijoje ir galiu pasakyti, kad jei reaktorius nebus pastatytas laiku arba nedirbs tais parametrais, kurie numatyti, tai būtent dėl pirmosios sienelės problemų.”

Sutelkus milijardus

Vis dėlto mokslininkas pripažino, kad jo vadovaujamai grupei iš tikrųjų neblogai sekasi. Nuo 2000 metų LEI laboratorijoje atliekami tyrimai, susiję su vandenilio elgsena, vandenilio saugojimu ir apskritai vandenilio energetika, todėl grupė ir ryžosi imtis termobranduolinių reaktorių.

Kitas dalykas – akademiko L.Pranevičiaus patirtis. Maskvos energetikos instituto absolventas tyrinėjo pirmosios sienelės problemas Rusijoje pastatytame pačiame pirmajame tokamake. Pasak akademiko, nagrinėjant branduolinės sintezės klausimą vienas svarbiausių uždavinių yra tinkamai parinkti pirmosios termobranduolinio reaktoriaus sienelės medžiagą. Iš pradžių tokie tyrimai įvairiose šalyse buvo vykdomi atskirai. Maskvos I.Kurčiatovo atominės energijos institute taip pat buvo tiriamos medžiagos, kurios galėtų tikti pirmajai sienelei, sąveikaujančiai su plazma. Tuo metu darbai buvo atliekami labai intensyviai ir finansavimas buvo labai didelis, tačiau galiausiai suprasta, kad vienos šalies mastu problema neišsprendžiama. Per brangu ir per daug klausimų.

ITER projektas prasidėjo 1985 metais kaip ES (per EURATOM), JAV, Sovietų Sąjungos ir Japonijos bendradarbiavimas. Vėliau prie pasaulinio projekto prisidėjo ir daugiau šalių. Kai kurios, pavyzdžiui, Brazilija ir Kazachstanas, dabar svarsto tokią galimybę.

Narystę konsorciume sustabdė Kanada, nusprendusi, kad jai ITER projektas per brangus ir nėra šalies prioritetas, nors anksčiau konkuravo su Ispanija, Japonija ir Prancūzija, kurioje iš jų būtų statomas eksperimentinis reaktorius. Itin didelė konkurencija buvo tarp Japonijos ir Prancūzijos, tačiau pastaroji yra itin pažengusi atominės energijos srityje ir prisiėmė iš tikrųjų didelius finansinius įsipareigojimus. Eksperimentinio reaktoriaus statyba Kadarašo miestelyje kainuos tikrai ne vieną ir ne du milijardus eurų.

Ateities energija

Termobranduolinės sintezės, o ne skilimo kaip atominėse elektrinėse, energetika neturi radioaktyvių atliekų arba turi jų gerokai mažiau ir jos yra ne tokios pavojingos. Tačiau Kadarašo miestelyje numatytas eksperimentinis reaktorius jokiu būdu nėra kokia nors jėgainė. Ir to reaktoriaus tikslas nėra pastatyti elektrinę. Naujos kartos eksperimentinis reaktorius tiesiog leistų atlikti atitinkamus tyrimus. Jo pirmas impulsas numatytas 2015 metais, tačiau, pasak L.Pranevičiaus jaunesniojo, taip greičiausiai nebus. Kitas reaktorius, jeigu viskas vyks pagal planą, turėtų būti statomas apie 2030 metus. Jis numatytas Japonijoje. Vadinamasis demonstracinis termoreaktorius jau būtų arčiau elektrinės. Tik po šio maždaug 30 metų projekto turėtų būti statomas jau pirmasis komercinis prototipas.

„Sukurti tokį reaktorių fizikinių problemų nėra. Sintezės reakcija vyksta patikimai, yra žinomi jos dėsningumai, galima apskaičiuoti, kokia energija išsiskiria tuo metu, – kalbėjo akademikas L.Pranevičius. – Yra techninės ir technologinės problemos. Reikia rasti medžiagų, labai atsparių karščiui, spręsti kai kurias technines plazmos valdymo problemas. Jeigu pasiseks sukurti tokias sąlygas, reakcija puikiai vyks, bus kontroliuojama ir energija bus gaunama.”

Viltis, kad einama teisinga kryptimi, yra surastas vadinamasis panašumo dėsnis. Kuo didesnis reaktorius, tuo geresni rezultatai gaunami ir tuo arčiau tokio reaktoriaus tipo, kuris jau galėtų būti praktiškai panaudotas, t. y. energetiškai efektyvus.

„Termobranduolinė energija yra tolimos ateities energija, todėl kalbos Lietuvoje, kad reikia svarstyti ne apie atominę, bet apie termobranduolinę elektrinę, yra visiška nesąmonė, – pabrėžė akademikas. – Vis dėlto kokie čia pinigai! Ne nacionaliniai, o pasauliniai, nes visas pasaulis suprato, kad atskirai neišspręs tos problemos. Aišku, gali būti, kad visas pasaulis nuspręs tokį reaktorių statyti Lietuvoje, kaip dabar nusprendė statyti Prancūzijoje.”

Jeigu

„Kai vykdai mokslinius tyrimus ir jau žinai atsakymą, nėra prasmės tų tyrimų ir vykdyti. Mes net negalime apsibrėžti tiksliai techninės užduoties. Tiek daug problemų, kad net negalime atsakyti, ar tokie reaktoriai veiks, – abejonėmis dalijosi jaunasis mokslininkas. – Nekalbu apie reakciją – ji iš esmės gaunama. Klausimas, ar sugebėsime pastatyti jėgainę, kuri mums garantuotų teigiamą ekonominį balansą. Kuras yra pigus, technologijos neaišku kokios bus taikomos, radioaktyvi apšvita nepalyginti mažesnė ir visai kitokio pobūdžio nei dabartinėse jėgainėse. Problema ta, kad reaktorių, kuris dabar bus pastatytas, reikia licencijuoti. Niekas negali to kol kas atlikti, nes niekas negali atsakyti, kokiu režimu jis veiks. Todėl pirmus trejus metus, kai reaktorius jau bus pastatytas, atliekamais eksperimentais turi būti daugiau ar mažiau atsakyta, kokiais parametrais jis veiks, kaip garantuoti jo darbo saugumą ir gauti licenciją. Ir klausimas, ar per tuos pirmus trejus metus tai pavyks padaryti. Jeigu tas reaktorius bus sėkmingai pastatytas.”

L.Pranevičius jaunesnysis minėjo ir termobranduolinės sintezės reaktorių alternatyvas. Pavyzdžiui, stelaratorius – iš tikrųjų labai panašus reaktorius, plazma spaudžiama taip pat magnetiniame lauke, tik pats reaktorius truputį kitaip veikia. Kita grupė vykdomų eksperimentų, kai reakcija pradedama lazeriu, t. y. kuro kapsulė iš visų pusių vienu momentu apšvitinama labai galingais lazeriais ir reakcija taip pat vyksta.

ITER projektas sutelkia visas naujausias pasaulio technologijas. Tik sukurtos jos iš karto diegiamos į naujos kartos reaktorių, todėl dalyvauti šiame ateities projekte yra svarbu ir tokiai mažai šaliai kaip Lietuva. Patekti į tokį naujausių technologijų sūkurį yra ir Lietuvos mokslo prestižo reikalas.

„Tik pas mus kaip išeina, – kalbėjo akademikas. – Laimėjus tarptautinį konkursą, ITER agentūra skiria dalinį finansavimą nuo 20 iki 40 proc. projekto sumos, ir yra savaime suprantama, kad kofinansavimą duos šalis, kuri laimėjo projektą. Jei tik gavai EURATOM projektą, visus kitus pinigus gausi iš nacionalinio biudžeto. Mūsų biudžete – nulis, o turime atlikti darbą taip smarkiai konkuruodami ir gauti gerų rezultatų. Iš LEI ir VDU mums primoka, tačiau vis tiek negalime parodyti savo užsakovams, kad tyrimams buvo panaudota tikroji suma – jie buvo atitinkamai kofinansuoti.”

Jei Lietuva įstotų į EURATOM, būtų skiriamas jau 60 proc. projekto finansavimas. Nario mokestis priklauso nuo šalies dydžio ir, pašnekovo manymu, atsipirktų per projektus.

Pernai įsikūrė EURATOM – LEI asociacija. Toks pavadinimas pasirinktas, nes Lietuvos energetikos institutas daugiausia dirba šioje srityje, tačiau per asociaciją dalyvauti EURATOM projektuose gali visi Lietuvos mokslininkai ir pramonės įmonės.