Termobranduolinė reakcija

Milžiniškas energijos kiekis išsiskiria ne tik dalijantis urano ar kurio kito sunkiojo cheminio elemento branduoliams. Pagrindinis Saulės ir kitų žvaigždžių energijos šaltinis yra kitokia branduolinė reakcija – helio susidarymas iš vandenilio. Atomuose slypinti branduolinė energija išsiskiria vandenilio izotopų deuterio ($$ {}_1{}^2\mathrm{H}$$) ir tričio ($$ {}_1{}^3\mathrm{H}$$) jungimosi – branduolių siñtezės – reakcijos metu (8.4.1 pav.). Tokia reakcija vadinama termobranduolinè (gr. termos – karštas), nes būtina sąlyga jai vykti yra labai aukšta temperatūra.

Reakcija, kuriai vykstant du vandenilio izotopų branduoliai susilieja į helio branduolį, vadinama branduolių siñtezės reãkcija. Šios reakcijos lygtis:

Kiekvienam šioje reakcijoje dalyvaujančiam nukleonui tenka beveik keturis kartus daugiau reakcijos metu išsiskyrusios energijos negu dalijantis urano branduoliui. Todėl mokslininkai jau keletą dešimtmečių intensyviai ieško būdų, kaip panaudoti vykstant šiai reakcijai išsiskiriantį milžinišką energijos kiekį.

Branduolių sintezės reakcija gali prasidėti tik tada, kai vandenilio izotopai labai suartėja, o tam jie turi įgyti labai didelę energiją. Tokią energiją jie įgyja, kai deuterio ir tričio mišinys pasiekia dešimčių milijonų laipsnių temperatūrą.

Dirbtinėmis sąlygomis tokia temperatūra susidaro, sprogstant atominei bombai. Būtent šis sprogimas ir sudaro sąlygas „įsižiebti“ vandenilinei bombai – branduoliniam ginklui, kurio veikimas pagrįstas vandenilio izotopų sinteze. Sprogus vandenilinei bombai, vyksta nevaldoma vandenilio izotopų branduolių sintezės reakcija. Tai prilygsta tarsi trumpalaikiam mini Saulės blykstelėjimui. Deja, išbandant vandenilines bombas, tokių blyksnių Žemėje buvo dešimtys.

Norint panaudoti termobranduolinės reakcijos metu atsipalaiduojantį milžinišką energijos kiekį, būtina reakciją suvaldyti. Siekdami šio tikslo, mokslininkai pirmiausia sprendė problemą, kur ir kaip išlaikyti medžiagą, įkaitintą iki milijonų laipsnių. Tokioje temperatūroje medžiaga virsta plazmà: susidūrę atomai netenka elektronų – susidaro jonų ir elektronų dujos. Bet koks žinomas atspariausias indas tokiame karštyje akimirksniu išgaruoja.

Magnetinės gaudyklės idėją įkaitintai plazmai gauti ir laikyti mokslininkai pasiūlė XX a. šeštojo dešimtmečio viduryje. Vandenilio izotopų plazma gaunama tuščiavidurėje riestainio pavidalo kameroje, kurią supa stiprūs magnetai, verčiantys plazmą suktis ratu (8.4.2 pav.). Kiti magnetai suspaudžia plazmą į ploną šerdį riestainio centre ir sukuria ją kaitinančias elektros sroves.

Pradėjus įgyvendinti magnetinės gaudyklės idėją, mokslininkams atrodė, kad netrukus pavyks suvaldyti termobranduolinę reakciją ir gauti beveik neišsenkantį energijos šaltinį – juk vandenilio Žemėje apstu. Tačiau paaiškėjo, kad minėtas šaltinis slepiasi už begalės užraktų – kiekvienai iškylančiai naujai problemai spręsti prireikdavo vis daugiau išteklių.

Šiandien termobranduolinį reaktorių (8.4.3 pav.) kuria tik labiausiai ekonomiškai išsivysčiusios šalys ar jų grupės. Nuo 2013 m. Europos Sąjunga, JAV, Kinija, Ìndija ir kitos šalys kartu kuria tarptautinį termobranduolinį eksperimentinį reaktorių. Jį numatoma baigti statyti 2025 m., o paleisti veikti visu pajėgumu – 2035 m. Anot mokslininkų, valdoma termobranduolinė reakcija taptų neišsenkančiu energijos šaltiniu, nes termobranduolinio reaktoriaus kuras būtų vanduo. Be to, šalinami produktai – nekenksmingi žmogui ir aplinkai. Ar ši svajonė taps tikrove – parodys laikas.