ASV Enerģētikas departamenta Prinstonas Plazmas fizikas laboratorijas (PPPL) zinātnieki identificējuši potenciāli daudz efektīvāku veidu, kā panākt kodolsintēzes aizdegšanos — brīdi, kad reakcijas pašas rada pietiekami daudz siltuma, lai process varētu turpināties bez pastāvīgas ārējas karsēšanas. Pētnieku aprēķini liecina, ka būtiska nozīme varētu būt ne tikai plazmas temperatūrai un blīvumam, bet arī secībai, kādā šie parametri tiek sasniegti.

Vairāk nekā septiņus gadu desmitus kodolsintēzes pētnieki izmantojuši tā dēvēto Lavsona kritēriju. Šis matemātiskais nosacījums apraksta, kādai jābūt plazmas temperatūras, blīvuma un noturēšanās laika kombinācijai, lai kodolsintēze varētu turpināties bez papildu ārējas sildīšanas. Tomēr pats kritērijs nepasaka, kā šos nosacījumus sasniegt ar vismazāko enerģijas patēriņu.

PPPL fiziķi Luiss Delgado-Aparisio, Masajuki Ono un Džonatans Menards izstrādājuši plašāku kritērija versiju, kurā iekļauti četri papildu faktori, kas ietekmē kodolsintēzes norisi. Tas ļāvis izveidot detalizētāku iespējamo ceļu karti līdz aizdegšanai. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Physical Review Letters.

Plazmu bieži dēvē par ceturto vielas agregātstāvokli. Tā rodas, gāzei kļūstot tik enerģētiskai, ka tās daļiņas iegūst elektrisku lādiņu. Kodolsintēzes reaktorā šis ārkārtīgi karstais materiāls satur atomu kodolus, kurus pētnieki cenšas apvienot. Šādas reakcijas rezultātā izdalās enerģija. Viens no galvenajiem nozares mērķiem ir izveidot degošu plazmu, kurā kodolsintēzes reakcijas pašas uztur nepieciešamo temperatūru.

Ceļš apkārt enerģijas “kalnam”

Delgado-Aparisio atklājumu salīdzina ar efektīvāka maršruta atrašanu kalnu grēdā. Ja enerģijas prasības kodolsintēzes aizdegšanai iztēlojas kā ainavu ar augstu kalnu, mērķis atrodas kalna otrā pusē, taču līdz tam iespējams nokļūt pa vairākiem ceļiem.

Daudzas līdzšinējās stratēģijas mēģina pārvarēt virsotni tieši: vispirms palielināt plazmas blīvumu un pēc tam pievadīt milzīgu siltuma daudzumu, lai sasniegtu aizdegšanās apstākļus. Jaunie aprēķini liecina, ka izdevīgāka varētu būt pretēja secība — vispirms uzkarsēt plazmu un tikai pēc tam to saspiest.

“Daudzi uzņēmumi vēlas kāpt kalnā taisni augšup un tam iztērē milzīgu enerģiju. Labāk apiet virsotni. Tādējādi iespējams nonākt tajā pašā vietā daudz gudrākā veidā un izmantot daudz mazāk enerģijas,” sacīja Delgado-Aparisio.

Pētnieki šajā matemātiskajā ainavā izcēluši īpaši nozīmīgu apgabalu, ko dēvē par Kordeja seglu. Ģeogrāfijā segls ir zemāka pāreja starp augstākiem reljefa punktiem. Kodolsintēzes fizikā tas apzīmē salīdzinoši pieejamu punktu uz robežas starp plazmu, kurai vēl nepieciešama ārēja karsēšana, un plazmu, kas spēj uzturēt pati savu kodolsintēzes reakciju.

Dažādu ceļu salīdzināšanai zinātnieki izmantoja mērvienību Q. Tā salīdzina kodolsintēzes reakcijas radīto jaudu ar ārējās sildīšanas sistēmas pievadīto jaudu. Piemēram, Q vērtība 5 nozīmē, ka kodolsintēze rada piecas reizes vairāk jaudas nekā ārējā sildīšana.

Ideālā plazmā, kurā būtu tikai tīra kodolsintēzes degviela, Kordeja segls atrodas aptuveni pie Q = 5. Taču reālas sistēmas ir daudz sarežģītākas. Piemaisījumi plazmā un ārkārtīgi spēcīgi magnētiskie lauki var mainīt šīs pārejas atrašanās vietu, palielinot nepieciešamo Q vērtību. Tāpēc šo apstākļu ietekmes izpratne ir būtiska, lai novērtētu, vai konkrēts reaktora projekts vispār var sasniegt aizdegšanos.

Detalizētāks ceļvedis nākotnes reaktoriem

Rezultāti varētu ietekmēt divu galveno magnētiskās kodolsintēzes iekārtu veidu izstrādi — tokamaku un stellaratoru. Abās tehnoloģijās spēcīgi magnētiskie lauki notur plazmu, kamēr tā tiek uzkarsēta līdz kodolsintēzei nepieciešamajai ārkārtīgi augstajai temperatūrai. Tokamakiem ir raksturīga toroidāla jeb virtuļa forma, un tie ir viena no vadošajām pieejām, ko pēta nākotnes kodolsintēzes elektrostacijām.

Pētniecības iestādes un privāti uzņēmumi izstrādā vairākus veidus, kā no kodolsintēzes iegūt elektroenerģiju un nākotnē to piegādāt elektrotīklam. Efektīvāka ceļa atrašana līdz aizdegšanai varētu palīdzēt inženieriem veidot praktiskākas sistēmas un izvairīties no dārgām projektēšanas kļūdām. PPPL šis darbs ir daļa no plašākiem centieniem risināt zinātniskos un tehnoloģiskos uzdevumus, kas jāatrisina pirms komerciālas kodolsintēzes enerģijas kļūšanas iespējamas, tostarp nākotnes izmēģinājuma reaktoru izstrādi.

Viens no pētījuma būtiskākajiem uzlabojumiem ir vairāku fizikālo procesu aplūkošana vienlaikus, nevis atsevišķi, kā tas bieži darīts iepriekš. Pētnieki modelī iekļāva četrus papildu faktorus, kas var ietekmēt to, vai plazma sasniedz aizdegšanos un spēj to uzturēt. Šāda pieeja sniedz reālistiskāku priekšstatu par apstākļiem, kas būs jānodrošina nākotnes reaktoriem.

“Ja šos efektus neņem vērā, var šķist, ka konstrukcija darbosies labi. Kad tos iekļauj, aina mainās, un tas kļūst ļoti nozīmīgi,” sacīja Ono.

Ono norādīja, ka mērķis ir izveidot uzticamāku un plašāk izmantojamu modeli, ar kuru zinātnieki varētu novērtēt kodolsintēzes reaktoru projektus vēl pirms to būvniecības. Lavsona kritērija traktēšana kā viena nemainīga robežvērtība neņem vērā fizikālus procesus, kas var būtiski mainīt aizdegšanai nepieciešamos apstākļus. Ja šos efektus iekļauj jau projektēšanas sākumā, iespējams novērst dārgas problēmas vēlāk.

“Kodolsintēzes eksperimenti maksā ļoti dārgi, un jūs nevēlaties pieļaut kļūdas, kuras varēja pamanīt jau iepriekš,” viņš sacīja.

Pat niecīgs volframa daudzums var sarežģīt aizdegšanos

Viens no pārsteidzošākajiem secinājumiem saistīts ar volframu — ārkārtīgi karstumizturīgu metālu, kas izvēlēts vairāk nekā desmit nākamās paaudzes kodolsintēzes iekārtu iekšējām sienām. Volframs ir pievilcīgs materiāls, jo reaktoriem jāiztur apstākļi, kuros plazmas temperatūra pārsniedz temperatūru Saules centrā.

Tomēr pat niecīgs volframa daudzums plazmā var radīt būtiskas problēmas. Komandas aprēķini liecina, ka volframa piesārņojums koncentrācijā tikai viena daļa no 10 000 var aptuveni divkāršot spiedienu, kas nepieciešams kodolsintēzes aizdegšanai. Tas ir ievērojams pieaugums, ko izraisa ārkārtīgi mazs materiāla daudzums.

Sākotnēji aprēķini tika izstrādāti divās dimensijās. Kad pētnieki analīzi paplašināja līdz trim dimensijām, viņi konstatēja, ka aizdegšanai nepieciešamais spiediens var pārsniegt robežas, pie kurām plazma saglabā stabilitāti. Tas liecina, ka šķietami neliels piesārņojums var būtiski ietekmēt atsevišķu kodolsintēzes reaktoru projektu īstenojamību.

Enerģijas zudumi var palīdzēt stabilizēt plazmu

Vienlaikus daži procesi, kas apgrūtina aizdegšanās sasniegšanu, var palīdzēt reaktoram darboties drošāk un vienmērīgāk. Zinātnieki jau ilgi pēta tā dēvēto termisko “aizbēgšanas” nestabilitāti. Tā rodas, kad kodolsintēzes reakciju radītais siltums palielina reakcijas ātrumu, kas savukārt rada vēl vairāk siltuma un var izraisīt pašpastiprinošu ciklu.

Pētnieki atklājuši, ka enerģijas zudumi plazmā šo efektu var dabiski ierobežot. Lai gan zudumi padara aizdegšanās sasniegšanu grūtāku, tie vienlaikus nodrošina līdzsvarojošu ietekmi, kas varētu ļaut degošai plazmai saglabāt stabilu darbības režīmu bez nepārtrauktas regulēšanas. Šāds līdzsvars varētu būt vērtīgs nākotnes reaktoru konstrukcijās.

Atšķirībā no skaldīšanas elektrostacijas kodolsintēzes sistēmā vienlaikus atrodas tikai dažām sekundēm pietiekams degvielas daudzums. Tāpēc kontroles zaudēšana nozīmē, ka plazma atdziest un reakcija apstājas, nevis izraisa vēl smagākas sekas.

Šķidrais litijs un uzlabota degviela

Pētījumā aplūkotas arī tehnoloģijas, kas varētu palīdzēt pārvarēt atklātos šķēršļus. Viena iespēja ir kodolsintēzes reaktora iekšpusi pārklāt ar šķidru litiju — paņēmienu, ko PPPL pētnieki izstrādā un pēta jau gadiem. Šādi pārklājumi varētu palīdzēt novērst volframa nokļūšanu plazmā un vienlaikus samazināt siltuma zudumus, atvieglojot ārkārtīgi augsto kodolsintēzei nepieciešamo apstākļu uzturēšanu.

Vēl viena daudzsološa pieeja izmanto spinpolarizētu degvielu. Šajā gadījumā atomu kodoli pirms kodolsintēzes tiek sagatavoti tā, lai to spini būtu saskaņoti. Tas var palielināt kodolsintēzes reakcijas ātrumu.

Kopā šīs stratēģijas varētu uzlabot nākotnes reaktoru veiktspēju un padarīt ceļu līdz aizdegšanai sasniedzamāku. Tomēr piedāvātā pieeja, kurā plazmu vispirms karsē un tikai pēc tam palielina tās blīvumu, vēl nav eksperimentāli demonstrēta. Pētījums ir teorētisks un balstās matemātiskos aprēķinos, nevis tiešos mērījumos.

Pašreizējie kodolsintēzes eksperimenti nav sasnieguši temperatūras, kas saistītas ar Kordeja seglu, tādēļ zinātniekiem vēl nav bijusi iespēja pārbaudīt prognozēto ceļu šādos apstākļos. PPPL komanda plāno šo pieeju turpināt pētīt digitālos eksperimentos, izmantojot datoru simulācijas, lai noskaidrotu, vai plazmas karsēšana pirms tās saspiešanas patiešām sniedz paredzētās priekšrocības.

Ja turpmākie pētījumi apstiprinās aprēķinus, šie rezultāti varētu kļūt par nozīmīgu pamatu efektīvāku kodolsintēzes sistēmu izstrādei un palīdzēt pētniekiem pieņemt pārdomātākus lēmumus par reaktoru būvniecību.

“Lai gan nepieciešami turpmāki pētījumi, mēs esam sajūsmināti par šiem rezultātiem, un tie iezīmē skaidru turpmāko pētījumu virzienu šajā jomā,” sacīja Menards.

Darbu atbalstīja ASV Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja Kodolsintēzes enerģijas zinātņu birojs saskaņā ar līgumu DE-AC02-09CH11466. Papildu finansējums saņemts 2015. gada Fusion Energy Sciences Early Career Award, 2018. gada Diagnostic Innovation and Development Award, kā arī 2021. un 2025. gada Long-Pulse Tokamak Research Programs ietvaros.