Alimlər nüvə sintezini daha az enerji ilə həyata keçirməyin mümkün yolunu aşkarlayıblar

ABŞ Energetika Nazirliyinin Prinston Plazma Fizikası Laboratoriyasının (PPPL) alimləri nüvə sintezini daha səmərəli həyata keçirməyə imkan verə biləcək yeni yanaşma təklif ediblər. Tədqiqatçıların hesablamalarına görə, plazmanın qızdırılması və sıxlaşdırılması ardıcıllığının dəyişdirilməsi sintez reaksiyasının öz-özünə davam etməsi üçün tələb olunan enerjini əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər.  Günəşin enerji mənbəyi olan nüvə sintezi gələcəkdə elektrik enerjisi istehsalının perspektivli üsullarından biri hesab olunur. Lakin bu prosesin idarə olunan şəraitdə səmərəli şəkildə həyata keçirilməsi elm qarşısında duran əsas problemlərdən biri olaraq qalır.

Tədqiqatın nəticələri Physical Review Letters jurnalında dərc olunub.

Alimlər 70 ildən artıqdır ki, plazmanın nüvə sintezini davam etdirmək üçün kifayət qədər isti və sıx vəziyyətdə nə qədər müddət qalmalı olduğunu müəyyənləşdirmək məqsədilə Loson meyarından istifadə edirlər. 1950-ci illərdə hazırlanmış bu yanaşma sintez reaksiyasının öz-özünə davam etməsi üçün lazım olan şərtləri müəyyənləşdirir. Bununla belə, həmin şərtlərə ən az enerji sərf etməklə necə nail olmağın yolunu göstərmir.

PPPL-in fizikləri Luis Delqado-Aparisio, Masayuki Ono və Conatan Menard bu yanaşmanı yeniləyərək plazmanın davranışına təsir edən dörd əlavə amili modelə daxil ediblər. Nəticədə sintez sistemlərində yanacağın necə qızdırılmalı və saxlanılmalı olduğunu daha əhatəli şəkildə qiymətləndirməyə imkan verən model hazırlanıb. Plazma maddənin dördüncü halı adlandırılır. Bu, hissəciklərinin elektrik yükləri daşıdığı son dərəcə isti qazdır. Nüvə sintezi nəticəsində ayrılan enerji prosesi əlavə xarici qızdırma olmadan davam etdirməyə kifayət etdikdə alışma vəziyyətinə nail olunur.

Tədqiqatın rəhbərlərindən Luis Delqado-Aparisio yeni yanaşmanı dağ silsiləsindən keçmək üçün daha asan marşrut tapmağa bənzədib. Ənənəvi yanaşmalarda əvvəlcə plazmanın sıxlığı artırılır, daha sonra onu alışma həddinə çatdırmaq üçün əlavə enerji verilir. Yeni hesablamalar isə fərqli ardıcıllığın — əvvəlcə temperaturun yüksəldilməsi, sonra sıxlığın artırılmasının — daha az enerji tələb edə biləcəyini göstərir.  Alimlər mümkün yolları müqayisə etmək üçün Q göstəricisindən istifadə ediblər. Bu göstərici nüvə sintezindən əldə edilən gücün xaricdən verilən qızdırma gücünə nisbətini göstərir. Yalnız sintez yanacağından ibarət ideal plazmada Kordey yəhəri sintez gücünün verilən qızdırma gücündən təxminən beş dəfə çox olduğu nöqtəyə uyğun gəlir. Real sintez qurğularında isə vəziyyət daha mürəkkəbdir. Plazmadakı çirkləndiricilər və son dərəcə güclü maqnit sahələri bu kritik nöqtənin yerini dəyişə, ona çatmaq üçün tələb olunan Q göstəricisini artıra bilər. 

Tədqiqatın nəticələri nüvə sintezi üçün nəzərdə tutulan tokamak və stellarator tipli qurğuların layihələndirilməsində əhəmiyyətli ola bilər.  Alışmaya daha səmərəli yolla çatmağın müəyyənləşdirilməsi mühəndislərə qurğuların layihələndirilməsi və idarə olunması ilə bağlı daha əsaslandırılmış qərarlar verməyə kömək edə bilər. Tədqiqat həmçinin kommersiya məqsədli nüvə sintezinin və gələcək sınaq elektrik stansiyalarının qarşısındakı elmi-texniki maneələrin aradan qaldırılmasına yönəlmiş işləri dəstəkləyir.  Yeni modelin əsas üstünlüklərindən biri bir neçə fiziki prosesi eyni vaxtda nəzərə almasıdır. Əvvəlki tədqiqatlarda bu amillər çox vaxt ayrı-ayrılıqda araşdırılıb. Bu isə onların real iş şəraitində bir-birinə necə təsir etdiyini anlamağı çətinləşdirib.

Modelə daxil edilən dörd əsas amil bunlardır:

• Helium qalıqları: Nüvə sintezi nəticəsində yaranan helium plazmada toplana və istifadə edilə bilən yanacağın konsentrasiyasını azalda bilər.

• Plazmadakı çirkləndiricilər: Reaktorun daxili divarlarından ayrılan yüngül və ağır elementlər plazmanı çirkləndirərək sintez prosesinə mane ola bilər.

• Sinxrotron şüalanması: Hərəkət edən elektrik yüklü hissəciklər, xüsusilə elektronlar, şüalanma vasitəsilə enerji itirə bilər.

• Plazmadan istilik itkisi: Enerji məhdudlaşdırılmış plazmadan kənara çıxa bilər və temperatur yüksəldikcə bu itkilər daha əhəmiyyətli olur.  Bu amillərin birlikdə nəzərə alınması nüvə sintezi reaktorlarının üzləşdiyi çətinlikləri daha real şəkildə qiymətləndirməyə imkan verir.

Tədqiqatçılardan Masayuki Ononun sözlərinə görə, bu təsirlər nəzərə alınmadıqda qurğunun layihəsi işlək görünə bilər, lakin onların modelə əlavə edilməsi nəticələri əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir.  Ononun fikrincə, məqsəd alimlərin gələcək sintez sistemlərini tikintiyə başlamazdan əvvəl qiymətləndirə biləcəkləri vahid yanaşma yaratmaqdır. Loson meyarına dəyişməz hədd kimi yanaşmaq isə alışma üçün tələb olunan şərtləri ciddi şəkildə dəyişdirə bilən fiziki proseslərin nəzərdən qaçmasına səbəb ola bilər.  “Fusion təcrübələri çox baha başa gəlir və əvvəlcədən aşkar edə biləcəyiniz səhvlərə yol vermək istəməzsiniz”, — deyə Ono bildirib.

Tədqiqat reaktorların hazırlanmasında istifadə olunan materiallarla bağlı potensial problemi də üzə çıxarıb.

Hazırda ondan çox qabaqcıl nüvə sintezi qurğusunun daxili divarlarının volframla örtülməsi nəzərdə tutulur. Mühəndislər bu metalı son dərəcə yüksək temperaturlara davam gətirdiyinə görə seçirlər. Nüvə sintezi plazması Günəşin mərkəzindəki temperaturu belə ötüb keçə bilən həddə qədər qızdırılmalıdır.

Lakin volframın hətta kiçik miqdarda plazmaya qarışması ciddi çətinlik yarada bilər.  Tədqiqatçıların hesablamalarına görə, plazmada volframın cəmi 10 000 hissəyə bir hissə nisbətində olması alışmaya nail olmaq üçün tələb olunan təzyiqi təxminən iki dəfə artıra bilər. Başqa sözlə, reaktorun divarlarından ayrılan çox kiçik miqdarda material belə nüvə sintezini davam etdirməyi xeyli çətinləşdirə bilər.  Bu nəticələr ikiölçülü təhlilə əsaslanır. Model üçölçülü vəziyyətə genişləndirildikdə isə tələb olunan təzyiq plazmanın sabit qala bildiyi həddi aşa bilər.  Nəticələr göstərir ki, reaktorun layihələndirilməsində əhəmiyyətsiz görünən detallar belə onun işinə ciddi təsir göstərə bilər.

Enerji itkiləri nüvə sintezinin başlamasını çətinləşdirsə də, alimlər bu proseslərin başqa bir təhlükənin qarşısını almağa kömək edə biləcəyini müəyyənləşdiriblər.  Nüvə sintezi üzrə tədqiqatçılar uzun müddətdir istiliyin nəzarətsiz artması ilə nəticələnən “termal qaçış” qeyri-sabitliyi ehtimalını araşdırırlar. Bu vəziyyətdə sintez reaksiyalarından ayrılan istilik əlavə reaksiyaları sürətləndirir, onlar isə daha çox istilik yaradır. Beləliklə, özünü gücləndirən proses yarana bilər. Yeni hesablamalara əsasən, plazmadan enerji aparan fiziki proseslər bu geribildirim mexanizmini də məhdudlaşdıra bilər. Bu təsirlər birlikdə işlədikdə, yanma vəziyyətində olan plazmanın davamlı xarici qızdırma olmadan sabit rejimdə qalmasına şərait yarana bilər.  Nüvə parçalanması ilə işləyən elektrik stansiyalarından fərqli olaraq, nüvə sintezi sistemində hər an yalnız saniyələr ərzində sərf olunacaq miqdarda yanacaq olur. Buna görə də idarəetmə itirildikdə plazma soyuyur və sintez prosesi dayanır. Bu nəticə göstərir ki, alışmaya maneə hesab edilən bəzi fiziki proseslər eyni zamanda işlək reaktorun sabitliyinə də töhfə verə bilər. 

Yeni modelin üzə çıxardığı problemlərin bir qismini aradan qaldırmaq üçün mümkün həllər də təklif olunur.  Variantlardan biri reaktorun daxili divarlarını maye litiumla örtməkdir. PPPL-in uzun müddətdir araşdırdığı bu texnologiya plazmaya qarışan volframın miqdarını azalda və istiliyin saxlanmasına kömək edə bilər.  Digər mümkün yanaşma isə spinləri eyni istiqamətə yönəldilmiş yanacaq nüvələrindən istifadədir. Bu üsulda sintez baş verməzdən əvvəl yanacaq nüvələrinin spinləri uyğunlaşdırılır. Bunun nəticəsində nüvə sintezi reaksiyalarının başvermə ehtimalı arta və sistemin səmərəliliyi yüksələ bilər. Bu yanaşmalar birlikdə reaktorların alışma vəziyyətinə daha az enerji sərf etməklə çatmasına və sabit iş rejimini qorumasına kömək edə bilər.  

Tədqiqat nüvə sintezinin ən çətin problemlərindən birinə yeni baxış təqdim edir: alimlər plazmanın sıxlığını və temperaturunu sadəcə artırmaq əvəzinə, eyni nəticəyə daha səmərəli üsulla nail ola bilərlər. Lakin bu yanaşmanın praktik reaktorlarda nə dərəcədə işlək olacağı hələ gələcək sınaqlarla müəyyənləşdirilməlidir.

mənbə: scitechdaily.com