Kaip veikia sintezės energija ir jos siekiantys startuoliai

Dešimtmečius žmonės siekė panaudoti žvaigždžių galią generuoti elektrą čia, Žemėje. Ir beveik tiek pat laiko iki šio tikslo visada atrodė, kad liko tik dešimtmetis.

Dabar daugybė naujų įmonių yra arčiau nei bet kada anksčiau ir skuba statyti branduolių sintezės reaktorius, galinčius tiekti energiją į tinklą.

Branduolinės sintezės startuoliai pritraukė daugiau nei 10 milijardų dolerių investicijų, daugiau nei tuzinas surinko daugiau nei 100 milijonų dolerių. Per pastaruosius metus baigėsi daug didelių finansavimo etapų, investuotojai patraukė į pramonę, nes didėja duomenų centrų energijos poreikis ir sintezės įmonės artėja prie finišo linijos.

Branduolinės sintezės energijos esmė – energiją, išsiskiriančią susiliejus atomams, panaudoti elektros gamybai. Žmonės žinojo, kaip sulieti atomus dešimtmečius, nuo vandenilio bombos – nekontroliuojamos branduolių sintezės pavyzdžio – iki daugybės sintezės įrenginių, pastatytų laboratorijose visame pasaulyje. Eksperimentiniai sintezės prietaisai sugebėjo kontroliuoti branduolių sintezę, o vienas sugebėjo sukurti daugiau energijos, nei reikėjo reakcijai sukelti.

Tačiau nė vienas iš jų nesugebėjo pagaminti tiek pertekliaus, kad būtų įmanoma pastatyti elektrinę.

Kad išspręstų šią problemą, sintezės startuoliai išbando daugybę skirtingų metodų. Ekspertai turi skirtingų nuomonių, kurioms sėkmei pasiekti didžiausi šansai, nors pramonė dar tik pradeda formuotis, todėl niekas negarantuoja.

Čia pateikiama trumpa pagrindinių sintezės energijos būdų apžvalga.

Magnetinis uždarymas

Magnetinis izoliavimas yra vienas iš plačiausiai naudojamų metodų, naudojant stiprius magnetinius laukus, kad apribotų plazmą – perkaitintų dalelių sriubą, kuri yra sintezės įrenginio pagrindas.

Magnetai turi būti nepaprastai galingi. Pavyzdžiui, Commonwealth Fusion Systems (CFS) renka magnetus, galinčius sukurti 20 teslų magnetinių laukų, o tai yra maždaug 13 kartų stipresnis nei įprastas MRT aparatas. Norint apdoroti reikiamą elektros energijos kiekį, magnetai yra pagaminti iš aukštos temperatūros superlaidininkų, kuriuos dar reikia atšaldyti iki –253˚C (-423˚F) naudojant skystą helią.

CFS šiuo metu Masačusetse kuria demonstracinį įrenginį, pavadintą „Sparc“, daug spartesnėje laiko juostoje. Bendrovė tikisi jį įjungti kada nors 2026 m. pabaigoje ir, jei viskas klostysis gerai, 2027 ar 2028 m. ji pradės statyti savo komercinio masto elektrinę Virdžinijoje.

Yra du pagrindiniai sintezės prietaisų tipai, kuriuose naudojamas magnetinis uždarymas: tokamakai ir stellaratoriai.

Sovietų mokslininkai pirmą kartą iškėlė tokamakų teorijas šeštajame dešimtmetyje ir nuo tada jie buvo plačiai tyrinėjami. Tokamakai būna dviejų pagrindinių formų – spurga su D formos profiliu ir rutulys su maža skylute viduryje. Jungtinis Europos Torus (JET) ir ITER yra du žymūs eksperimentiniai tokamakai; JET veikė JK nuo 1983 iki 2023 m., o ITER turėtų pradėti veikti Prancūzijoje 2030-ųjų pabaigoje.

JK įsikūrusi „Tokamak Energy“ kuria sferinį tokamako dizainą. Jo ST40 eksperimentinė mašina šiuo metu atnaujinama.

Stellaratoriai yra kitas pagrindinis magnetinio uždarymo įtaiso tipas. Jie panašūs į tokamakus tuo, kad išlaiko plazmą, panašią į spurgą. Tačiau skirtingai nei geometrinės tokamako pusės, stellaratoriai sukasi ir sukasi. Netaisyklinga forma nustatoma modeliuojant plazmos elgseną ir pritaikant magnetinį lauką, kad jis veiktų su jos keistenybėmis, o ne priverstų ją į taisyklingą formą.

Wendelstein 7-X, didelis stelaratorius su modulinėmis superlaidžiomis ritėmis, valdomas Maxo Plancko plazmos fizikos instituto. Vokietijoje veikia nuo 2015 m. Keletas startuolių taip pat kuria savo stellaratorius, įskaitant Proxima Fusion, Renaissance Fusion, Thea Energy ir Type One Energy.

Inercinis uždarymas

Kitas pagrindinis sintezės būdas yra žinomas kaip inercinis uždarymas, kuris suspaudžia kuro granules, kol atomai susilieja.

Daugumoje inercinio uždarymo konstrukcijų kuro granulėms suspausti naudojami lazerio šviesos impulsai. Keli lazerio spinduliai šaudo vienu metu, o jų šviesos impulsai susilieja ant kuro granulės iš visų kampų vienu metu.

Kol kas inercinis uždarymas yra vienintelis metodas, sulaužęs gairę, žinomą kaip mokslinis lūžio taškas, kai reakcija išskiria daugiau energijos nei sunaudojo. Šie eksperimentai buvo atlikti Nacionalinėje uždegimo įstaigoje (NIF) Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje Kalifornijoje. Pažymėtina, kad mokslinio lūžio nustatymo matavimai neapima tokių dalykų kaip elektros energija, reikalinga eksperimentiniam įrenginiui maitinti.

Vis dėlto beveik tuzinas startuolių įžvelgia pakankamai žadą inerciniame uždaryme, kad jie aplink jį projektuotų reaktorius. „Focused Energy“, „Inertia Enterprises“, „Marvel Fusion“ ir „Xcimer“ yra keletas žymių lazerių naudojimo pavyzdžių.

Tačiau yra dvi bendrovės, kurios nenaudoja lazerių: „First Light Fusion“, kuri siūlo naudoti stūmoklius, ir „Pacific Fusion“, kuri vietoj lazerių planuoja naudoti elektromagnetinius impulsus.

Bus daugiau

Tai yra du pagrindiniai sintezės energijos metodai, nors jie nėra vieninteliai. Netrukus pridėsime daugiau informacijos apie alternatyvius dizainus, įskaitant įmagnetinto taikinio sintezę, magnetinį-elektrostatinį uždarymą ir miuonų katalizuojamą sintezę.