KTU alumnas: ar priartėjome prie svajonės apie švarią ir neišsenkančią energiją išsipildymo?

Idėja – neišsenkančia energija aprūpinti Žemę pasitelkus Saulėje ir kitose žvaigždėse vykstančią termobranduolinę sintezę – jau ne vieną dešimtmetį kirba mokslininkų galvose. Kad tai – ne utopinė svajonė įrodo labai ambicingi tyrėjų projektai, tokie kaip ITER (Prancūzijoje statomas didžiausias pasaulyje sintezės reaktorius) ar kiti.

Nors juokaujama, kad termobranduolinės sintezės energija „yra ir visada bus 30 metų priešaky“, dabar neišsenkanti, švari ir klimato pokyčius lemiančio anglies pėdsako nepaliekanti energija nebeskamba kaip mokslinė fantastika.

Kas ta perspektyvioji termobranduolinė sintezė ir ar tikrai priartėjome prie atomazgos šių technologijų vystymo srityje, klausiame KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (MGMF) alumno, mokslininko fiziko dr. Andriaus Tidiko.

– Andriau, dirbate branduolių sintezės mokslinių tyrimų srityje. Šios mokslo srities siekis – Žemėje atkartoti Saulėje vykstančius procesus ir taip įvaldyti neišsemiamą ir švarią branduolių sintezės energiją – išties ambicingas ir labai įdomus. Ar tikrai apie tai šis mokslas?

– Pati branduolių sintezės idėja nėra labai nauja ir teoriškai yra ganėtinai gerai išnagrinėta. Mokslo iššūkiai atsiranda siekiant šį procesą įvaldyti mūsų planetoje pramoniniu lygiu.

Branduolių sintezės mokslas yra labiau orientuotas į technologijų ir metodikų vystymą, kurios savo ruožtu apima kone visas taikomosios fizikos sritis, medžiagų mokslą,  inžineriją, informatiką ir kt.

– Energetikos sektorius ir energijos gamyba – gana jautri sritis. Branduoliniai reaktoriai kelia baimę ir nerimą dėl saugumo, tradicinės elektrinės kelia abejonių dėl aplinkos taršos, vis labiau gręžiamasi į atsinaujinančią energetiką. Ar sintezės reaktoriai galėtų būti tuo visa keičiančiu sprendimu?

– Branduolių sintezės technologijos yra labai perspektyvios, tačiau tai nėra panacėja nuo žmonijos energijos nepriteklių. Į ją labiau reikėtų žiūrėti kaip į bendrą energijos sistemą, papildančią ir esančią greta atsinaujinančių ir kitų energijos gamybos šaltinių.

Branduolių sintezės technologijos pasižymi  mažomis anglies dvideginio išlakomis, jas taip pat galima būtų charakterizuoti kaip didelės galios, didelio energijos tankio ir gamybos stabilumo technologijas.

Branduolių sintezės jėgainė yra branduolinis objektas, kuriame vyksta branduoliniai procesai. Tiek jėgainės veikimo metu, tiek nutraukus jos eksploataciją egzistuoja jonizuojančiosios spinduliuotės apšvitos rizika.

Priešingai negu branduoliniu skilimu pagrįstose jėgainėse, sintezės reaktoriuose nėra generuojamas didelis pavojingų radioaktyvių atliekų kiekis. Pagrindinės atliekos branduolių sintezės jėgainėse yra neutronais aktyvuotos struktūrinės konstrukcijos. Šios atliekos pasižymi sąlyginai trumpalaikiu aktyvumu, t. y. po  50–100 metų jas būtų saugu naudoti arba perdirbti.

Taip pat reikia pridurti, kad vyksta intensyvūs tyrimai siekiant sukurti dar saugesnes medžiagas ir sumažinti jų produkcijos kiekius inžineriniais sprendimais.

– Ar tokia energija išties būtų švari? Užtikrintų tvarumą ir mažintų klimato pokyčius?

– Šiuo metų daugiausiai žadanti yra vandenilio izotopų deuterio ir tričio branduolių sintezė. Sintezės proceso metu šie branduoliai suformuoja naują helio branduolį. Helis ne tik neskatina klimato kaitos, bet taip pat yra vertingas cheminis elementas. Tiesa, helio kiekis nėra labai ženklus.

Dažnai sintezės technologijos yra pristatomos kaip neišsenkančios, kadangi vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas visatoje. Praktikoje vaizdas yra kiek skurdesnis. Sintezės reakcijai reikalingas tritis nėra stabilus, todėl žemėje retas elementas. Tritį reikia pasigaminti ir kol kas šios technologijos nėra pilnai išvystytos. Tričiui išgauti yra siūlomos ličio ir švino technologijos. Šiuo atveju, tiek litį, tiek šviną galima laikyti dalinai senkančiais ištekliais.

– Kokiu principu veiktų sintezės reaktoriai? Prancūzijoje statomas didžiausias pasaulyje sintezės reaktorius ITER. Projektu siekiama teoriją perkelti į realybę?

– Deuterio tričio sintezės reakcijos metu, be helio, dar yra išlaisvinamas neutronas su perviršine proceso energija. Ši energija atsiranda dėl masės defekto jungiantis lengviesiems branduoliams. Neutrono kinetinė energija sąveikos su sintezės reaktoriaus konstrukcijomis metu virsta į šilumą. Toliau jėgainė veikia kaip standartinė šiluminė elektrinė, kur, pasitelkus  garo turbiną,  šiluminė energija yra keičiama į mechaninę.

Verta paminėti, kad pats sintezės procesas gali būti įgyvendintas skirtingais būdais: izoliuotas vakuume magnetinių laukų pagalba (magnetinis išlaikymas), kaitinant lazeriu (inercinis išlaikymas), slegiant mechaniškai ir t. t. Taip pat yra galimos įvairios sintezės reakcijos tarp vandenilio, deuterio, tričio ir helio-3 branduolių.

ITER šiuo metu yra didžiausias statomas magnetiniu išlaikymo principu pagrįstas branduolių sintezės įrenginys pasaulyje. Tikimasi, kad ITER darbą pradės 2025 metų pabaigoje. Nors šis reaktorius turi apie 500 MW šiluminės galios, jis neturės jungčių su energijos gamybos sistemomis. ITER yra pilnai mokslinis projektas, skirtas naujų technologijų bandymams ir eksperimentiniams tyrimams.

– Ar realu, kad artimiausiu (mintyse turėkime dešimtmečius) metu termobranduolinės sintezės energija pakeis tradicinę energetiką?

– Europos Sąjunga yra išsikėlusi tikslą pademonstruoti energijos iš branduolių sintezės galimumą iki 2050 metų, o masinė elektros gavyba turėtų prasidėti kiek vėliau. Mano požiūriu, branduolių sintezės technologijos yra skirtos ateities kartoms, nors, kita vertus, žvelgiant į praėjusio amžiaus mokslo raidą, ateitis yra labai sunkiai prognozuojama. Galbūt dirbtinis intelektas ir kvantinė informatika apvers viską aukštyn kojomis.

– Kaip atsidūrėte šiame moksle? KTU MGMF baigėte taikomąją fiziką, vėliau ir medicinos fiziką. Kas atvedė jus į fizikos sritį?

– Fundamentalieji mokslai visada buvo arti širdies, o fiziką pasirinkau pirmuoju numeriu po brandos egzaminų. Nemanau, kad buvo vienas konkretus veiksnys, kuris turėjo įtakos šiam pasirinkimui. Tai buvo aplinkybių ir atsitiktinumų visuma.

Studijuodamas taikomąją fiziką įsitraukiau į radioterapijos šaltinių skaitinius tyrimus, kuriuos koordinavo KTU profesorė Diana Adlienė. Šiuos darbus tęsiau magistrantūros studijose – medicinos fizikos programoje. Magistrantūroje gerokai praplėčiau savo branduolinės fizikos žinias, o vėliau nusprendžiau tęsti doktorantūros studijas.

– Kaip fizikos žinias dabar taikote savo darbe? Kokios apskritai žinios reikalingos norint tapti šios srities specialistu? 

– Mano darbai sintezės tyrimų srityje yra orientuoti į branduolinius procesus ir dalelių sąveikas, todėl itin svarbi yra atomo fizikos disciplina. Taip pat sunku būtų išsiversti be radiacinės saugos žinių, kurios padeda interpretuoti rezultatus. Termodinamika yra reikalinga statistinių procesų aprašymui, o medžiagotyra leidžia geriau suvokti patį tyrimų objektą.

Esu visapusiško išsilavinimo šalininkas, kadangi  patys branduolio sintezės tyrimai dažnai esti kompleksiniai ir tarpdisciplininiai, tad niekada negali prognozuoti, kada gali prireikti tam tikrų žinių. Negana to, tai suteikia daug lankstumo ir erdvės inovatyviems tyrimams.

– Ką patartumėte studijas besirenkančiam jaunuoliui? Dažnai girdžiu, kad fizika – sunki, bet apdovanojanti. Tiesa?

– Būsimam studentui patarčiau žvelgti į gamtos mokslus ne kaip į sausą discipliną, bet kaip į aplinkos suvokimo praplėtimą. Gamtos mokslai yra savita kalba, formuojanti mąstymą. Fizikos tikrai nepavadinčiau lengvu mokslu, bet kita vertus, sunkumas savaime nėra negatyvus bruožas. Sunkumai ugdo mūsų asmenybes ir leidžia atsiskleisti mūsų geriausioms savybėms.