2020. gada vasarā dalībvalstu vadītāji lika pamatus nākamā reaktora – tokamaka, tas ir, plazmas noturēšanas un uzkarsēšanas sistēmas – pamatelementa būvdarbiem. Par krievu zinātnieku ieguldījumu vienā no cilvēces vērienīgākajiem projektiem enerģētikas nozarē stāsta portāls RIA Novosti.
Kodoltermiskās enerģijas pasaule
Kodoltermisko reakciju laikā izdalās milzīgs enerģijas apjoms, taču reakcija notiek plazmā, kuras temperatūra sasniedz desmitiem un simtiem miljonu grādu, bet siltumnoturīgākie materiāli iztur ne vairāk kā 3-4 tūkstošus grādu.
Kodoltermisko enerģiju var izmantot, ja "atraut" plazmu no reaktora ar spēcīgu magnētisko lauku palīdzību, paskaidroja zinātnieki. Labāko magnētisko slazdu kodoltermiskajai plazmai – tokamaku – piedāvāja padomju akadēmiķi Saharovs un Tamms jau 50. gadu sākumā. Pirmo reizi to izstrādāja Kurčatova institūtā.
Atšķirībā no kodolreaktora, kodoltermiskajā reaktorā notiek nevis kodolu dalīšana, bet gan sintēze, pie tam plazmas blīvums ir simt tūkstošus reižu mazāks nekā gaisa blīvums. Šī iemesla dēļ sprādziens nav iespējams, uzsvēra zinātnieki, tāpēc reaktors ir principiāli drošs. Tāda reaktora darbības produkti būs nekaitīgais hēlijs un tritijs, kas vēlāk tiek izmantots pašas reakcijas uzturēšanai.
"SKER ir ceļš uz kodoltermisko enerģētiku, pa ko pasaulei jāiet." To teicis projekta iniciators, Kurčatova institūta goda prezidents, akadēmiķis Jevgeņijs Veļihovs. SKER tika iecerēts 80. gadu vidū, tā ideja ir demonstrēt iespēju izmantot kodoltermisko enerģiju rūpnieciskos mērogos.
Patlaban projektā iesaistījušies septiņi dalībnieki: Eiropas Savienība, Indija, Ķīna, Korejas Republika, Krievija, ASV un Japāna. SKER galvenā mītne atrodas Kadarašā, Francijā, netālu no būvlaukuma. Zinātnieki stāsta, ka līdztekus fundamentālajam idejiskajam un inženiertehniskajam ieguldījumam, SKER var pateikties Krievijai par virkni pamatelementu, kuru vidū ir arī vislabākais supervadītājkabelis un labākie žirotroni pasaulē – iekārtas plazmas sakarsēšanai ar superaugstas frekvences elektromagnētisko starojumu.
Grūts uzdevums ar tritiju
Kā degviela SKER tiks izmantots ūdeņraža izotopu – deiterija un tritija sajaukums. Deiteriju iespējams relatīvi viegli iegūt no ūdens, bet tritijs tiks sintezēts pašā kodoltermiskajā reaktorā. SKER, kā eksperimentāla iekārta, vēl neražos elektroenerģiju, tomēr zinatnieki lēš, ka komerciālajos kodoltermiskajos reaktoros viens grams degvielas dos tikpat daudz enerģijas, cik patlaban iespējams saražot no 10-20 tonnām ogļūdeņražu.
Vienu no riskiem reaktora darbā radīs radioaktīvā tritija uzkrāšanās tokamaka izlādes kamerā, tāpēc tā daudzums ierobežots ar drošības standartiem. Kameras iekšējās sienas materiāli – volframs un berilijs – neuzkrāj lielu daudzumu tritija, tomēr, skaidro zinātnieki, reaktora stabilai darbībai nepieciešamas metodes tritija līmeņa regulārai attālinātai kontrolei.
Šī izotopa kopējo daudzumu kamerā iespējams aprēķināt no ienākušās un atsūknētās gāzes daudzuma. Tā satura precīzākiem lokālajiem mērījumiem reaktora sienās zinātnieki nolēmuši izmantot lāzera starojumu: tā ietekmē notiks sienas virsslāņa savdabīga "izgarošana", kam sekos veidojušos daļiņu satveršana un analīze.
Svarīgo problēmu risinās Maskavas Inženierijas un fizikas institūta Nacionālajā kodolpētījumu universitātē īpaši šiem nolūkiem 2020. gadā izveidotā laboratorija, ko vada jaunais zinātnieks, plazmas fizikas katedras docents Jurijs Gasparjans.
"Mūsu uzdevums ir iemācīties izmērīt vieglo un ļoti kustīgo ūdeņraža izotopu koncentrāciju ar minimālo iespējamo iedarbību uz reaktora sienu. Izmēģinājumi ieplānoti gan laboratorijas iekārtās, gan tokamakā "Globus M2" Joffes vārdā nosauktajā Fizikas un tehnikas institūtā," pastāstīja zinātnieks.
Bīstamie putekļi
Ideja par plazmas magnētisko termoizolāciju toroidālā magnētiskajā laikā, kas likta tokamaka pamatos, tomēr pieļauj daļiņu un izstarojuma nokļūšanu uz reaktora sienām, paskaidroja MIFI NKPU zinātnieki. To ietekmē no sienām atdalīsies makroskopiski erozijas produkti – putekļi.
Fiziķu aprēķini liecina, ka putekļu daļiņas krāsies tokamaka izlādes kameras dibenā un apdraudēs reaktoru – putekļi paši par sevi ir ugunsbīstami, turklāt aktīvi uzkrāj radioaktīvo tritiju.
Lai kontrolētu putekļu daudzumu un sastāvu, neapturot reaktoru, NKPU zinātnieku grupa ar profesoru Leonu Begrambekovu vadībā ierosināja izmantot īpašu zondi ar elektrisko potenciālu.
Elektriskajā laukā starp zondi un sienas virsmu putekļu daļiņas elektrizēsies, tās pievilks speciāls uztvērējs. Pārvietojoties zonde kā putekļusūcējs savāks putekļus un pēc tam pārvietos tos no reaktora caur īpašām slūžām.
Zinātnes avangards
Projekta centrālajā komandā Kadarašā strādā 1100 speciālisti no visām projekta dalībvalstīm, kā arī vairāki desmiti tūkstošu zinātnieku un inženieru – pašu mājās.
"MIFI NKPU un tās plazmas fizikas katedra ir aktīvs projekta dalībnieks, tostarp – arī kadru sagatavošanas jomā. Vairāk nekā pusgadsimtu mūsu katedra gatavo speciālistus karstās plazmas fizikas un vadāmās kodoltermiskās sintēzes jomā. Mūsu absolventi strādā gan SKER centrālajā, gan māju komandās, bet mūsu sadarbības ģeogrāfija plešas gandrīz pa visu planētu," pastāstīja MIFI NKPU plazmas fizikas katedras vadītājs Valērijs Kurnajevs.
Katedras pastāvēšanas laikā tās speciālisti izstrādāja iekārtas, kas ļauj izpētīt plazmas un tās komponentu (jonu, elektronu, neitrālo atomu) ietekmi uz dažādiem materiāliem. Izstrādātas teorijas un kodi šo procesu aprakstīšanai un sagatavots liels skaits zinātnieku.
Cita starpā katedras speciālisti SLKER vajadzībām izstrādājuši spektroskopisko metodi, kas ļauj konstatēt ūdens noplūdes plazmā no reaktora pirmās sienas dzesējamajiem elementiem, metodiku, kas ļauj izpētīt tīrošā gruzdošā lādiņa ietekmi uz diagnostisko lāzersistēmu pirmajiem spoguļiem, kā arī drošības ekrānus elektromagnētiskā starojuma kolektoriem.
