Жасалма Күн. Жаңы доорго башат болчу өзөктүк ширелүү жөнүндө

Николай Воронин

Би-Би-Синин илим жаатындагы кабарчысы

Америкалык окумуштуулар өзөктүк ширелүүгө негизделген электр ишканасын жаратуу нугунда өзгөчө олуттуу, – ал түгүл жаңы доорго башат ачкан, – окуя жүзөгө ашты, деп АКШ бийликтери 2022-жылдын 13-декабрында шардана кылышты.

Тарыхта алгачкы жолу физиктер киши тарабынан башкарылуучу өзөктүк ширелүү жүрүмүн жүзөгө ашырышып, бул жүрүмгө сарпталган кубаттан алда канча көбүрөөк көлөмдөгү кубатты өндүрө алышты.

Бул технологиялык жетишкендиктин өлчөмүн баалоо үчүн ушуну айтсак жетиштүү болот: дүйнөнүн эң мыкты физиктери, – анын ичинде Нобел сыйлыгынын он чакты лауреаты, – акыркы жетимиш жыл аралыгында бул маселени чечүү жаатында бардык айдыңдык дареметтерин жумшап келишкен.

Мындан жарым кылымдан ашуун убакыт мурда теориялык эсептер биринчи жолу лабораториялык сыноо аркылуу ырасталган жана ал сыноо – чынында эле тарыхый окуя болуп калган.

Ошондой болсо да, экологиялык таза кубаттын түгөнгүс булагы жөнүндөгү илимпоздордун кыялына – эң аруу максатка жетүү жолунда бул сыноо канчалык маанилүү болгонуна карабастан, ал тек гана кезектеги кадам экендиги айдан ачык.

Би-Би-Си өзөктүк ширелүү деген эмне экенин жана эмне үчүн АКШдагы ийгиликтүү илимий сыноо жөнүндөгү кабар ушунчалык ызы-чуу жаратканын – б.а. илимий чөйрөдө гана эмес, анын чегинен тышкары да кызуу талкуу жүргөнүн, – жалпак тил менен аңдатмакчы. Андан тышкары дагы бир суроого – “деги өзөктүк ширелүүнүн натыйжасында электр кубатын өндүрүү иши татынакай кыялдан турмуш чындыгына качан айланышы ыктымал?” деген суроого да жооп издемекчи.

Деги өзөктүк ширелүү жүрүмү деген эмне?

Жөнөкөй сөз менен туюнтканда, өзөктүк ширелүү – бул эки атомдун өз ара биригүүсүнүн жүрүмү.

Бирок бул жүрүм (эки суутек атому Н2 молекуласын түзгөндөй) кош атомдун жөнөкөй гана биригүүсүн туюнтпастан, тескерисинче, аларды жаңы бир бүтүндүккө ширелтип коёт.

Башкача айтканда, бир химиялык элемент бул ширелүүнүн негизинде оорураак салмактагы башка бир элементке айланат. Ошол эле суутектин эки атому, мисалы, гелий деген жаңы заттын атомуна айланып ширелишет. Бул жүрүм маалында олуттуу көлөмдөгү кубат өндүрүлөт.

Мындай өзөктүк ширелүү жүрүмүнүн жүзөгө ашуусу үчүн абдан чоң ысыктыктагы чөйрө (бул эң жогорку ысыктык – мерчем болгон атомдордон электрондорду үзүп салып, ар атомдун өзөгүн жылаңачтап коёт) жана бул өзөктөрдү бири-бирине кысып киргизип салчу эбегейсиз зор басым керек болот.

Ааламдагы жылдыздардын ички бөлүгүндө дал ушундай жүрүм тынымсыз жүзөгө ашып келет. Өзөктүк ширелүүнүн натыйжасында бөлүнүп чыгып жаткан эбегейсиз зор кубат, маселен, галактикабыздагы жылдыздардын бири болгон Күндөгү эң жогорку ысыктыкты камсыз кылып турат, ал эми бул өзгөчө ысык чөйрө биздин планетабызды – Жерди да жарык кылып жана жылытып келет.

Эгерде ушул эле нерсе Жерде кайталана турган болчу болсо, анда адамзат кубат өндүрүлчү таптакыр жаңы, – иш жүзүндө, – чексиз дээрлик отун булагына ээ болмок.

Анын үстүнө, адистер бир добуштан ынандыргандай, өзөктүк ширелүүдөн болочокто өндүрүлчү кубат наркы жагынан арзан гана болбостон, экологиялык жактан да таза болот.

Электр өндүрчү ишканалар үчүн отун болчу суутек дүйнө жүзүндөгү мухиттерден тикелей алынышы мүмкүн — ал булакта суутек тим эле сан жеткис мол эмеспи. Ошол эле учурда өзөктүк ширелүү жүрүмү учурунда зыяндуу газдар эч бууланып чыкпайт, өндүрүштүн радиоактивдүү калдыктары да болбойт. Бул – кыялдагы сонун натыйжа эмеспи.

Деги мындай жүрүмдү жүзөгө ашыруу Жер планетасында мүмкүнбү?

Теориялык жактан алганда, биздин планетабызда өзөктүк ширелүү үчүн зарыл шарттарды түзүүгө толук мүмкүн. Дал ушул өзөктүк ширелүү жүрүмү суутек бомбасынын иш-аракетинин негизин түзөт жана ушул жүрүм суутек бомбасын чексиз ойрондоочу күчкө ээ кылат.

Ошол лабораториялык шартта өзөктүк ширелүү жүрүмү үчүн талап кылынган эбегейсиз зор басымды жана өзгөчө ысык чөйрөнү түзүү үчүн "демейдеги" өзөктүк жардыруунун кубаты пайдаланылат. Бул өзөктүк жардыруу, өз кезегинде, эч көзөмөлдөөгө мүмкүн болбогон өзөктүк ширелүү жүрүмүн баштайт да, ал жүрүм маалында өндүрүлгөн ири кубат бир нече көз ирмем ичинде эле бүткүл планетабызды ойрон кылып салууга жөндөмдүү болот.

Бул зор кубатты тынчтык максаттарда пайдалануу үчүн оболу кандайдыр бир жол менен аны чогултуп алуу керек. Ал эми баштапкы учурда, жок эле дегенде, бул кубатты кандайдыр бир чектелген мейкиндикте сактап турууга жетишүүбүз зарыл.

Бирок өзөктүк ширелүү жүрүмүнө башат ача турган ысыктык көп миллиондогон градус менен өлчөнүүгө тийиш болчу болсо, анда буга кантип жетише алмакпыз? Ушунчалык ысыктыкта көлкүлдөп эрип турган плазмага кичине эле тийише калчу ар кандай зат эримек түгүл, көз ачып-жумгуча бууланып кетиши анык болгон чакта, бул көлкүлдөгөн ысык плазманы кантип жана эмне менен кармап турууга болот?

Бул суроого 1950-жылдары алгачкы болуп советтик физиктер жооп табышкан: көлкүлдөгөн плазманы вакуумда магниттердин жардамы менен боштукта "астырып коюу" аркылуу капаста кармап турууга болот. Мындай вакуумда плазма эч бир зат менен тийишпей турат. Ошентип, токамак жабдуусун куруу идеясы пайда болгон (төмөндөгү чакан сөздүктү караңыз. – Ред.).

Советтик окумуштуулардын сунушу жарыя кылынгандан бир нече жыл өткөндөн кийин АКШнын окумуштуулары көлкүлдөгөн ысык плазманы иштетүү жаатында экинчи вариантты сунушташты. Бул ыкма "импульстуу" деп аталат. Бул ыкмага ылайык илимпоздор ичине ысытуучу отун (биздин мисалда – суутек) жайгаштырылган чакан идиштин (капсуланын) ичинде өзөктүк ширелүү жүрүмүн башташат жана бул чакан идишти кубаттуу лазердик нур менен чар тараптан аткылоого алып, бир учурда кескин түрдө кысылууга дуушарлантышат.

АКШнын Калифорния штатындагы Э.Лоуренс атындагы Ливермор улуттук лабораториясында жакында дал ушул импульстук ыкма колдонулган жабдуу аркылуу илимий сыноо жүргүзүлдү.

Бул жүрүм эмнеси менен татаал?

Дегиңкиси, бул жүрүмгө камтылчу иш-аракеттин бардыгы тең татаал келет.

Өзөктүк ширелүү жүрүмү кагаздагы текстте гана салыштырмалуу жөнөкөй сезилиши ажеп эмес. Чындыгында бул жүрүм – космоско ракета учурууга караганда алда канча татаал.

Эми аба толтурулган шарды муштумда кысып кармоого далаалат кылып көрсөңүз. Шардагы газ, албетте, басым азыраак жакка бултактайт да, манжаларыңыздын арасынан шардын бир бучкагы "көбүк сымал" булт этип чыга келет.

Отун жайгаштырылган алиги чакан идиш дагы ошондой эле көрүнүшкө туш кылат. Өзөктүк ширелүү жүрүмүн баштоо үчүн бул идишти бардык тараптан бирдей күчтөгү басым аркылуу бир учурда кысуу зарыл.

Ливермор лабораториясынын окумуштуулары бул натыйжага эң кубаттуу 192 лазердин көмөгү менен жетишти. Бул үчүн алар лазердик "нур атаар замбирекчелерди" мейкиндикте эң сонун деңгээлде тегиз жайгаштырып чектелбестен, ошондой эле убакыт боюнча да аларды бири-бири менен так дал келтирип (синхрондоштуруп) иштетиши зарыл болду.

Орусиялык ИТЭР агенттигинин жетекчиси Анатолий Красильников Би-Би-Сиге маек куруп: "Эгерде жок дегенде бир эле нур жалпы сапка дал келбей калса, анда чөйрөдөгү бирдей кысуу жүзөгө ашпай калат. Идиш бирде оңго же солго бултактап кыймылга келип, идиштин ичинен кайсы бир жакты көздөй "курсак" булт этип чыгат да, мындай өзөктүк жылуулук параметрлеринин натыйжасында [отун] жетпей калат. Ал эми америкалыктар муну ийисине жеткирип жасай алышты", – деп түшүндүрдү. (ИТЭР сөзү тууралуу төмөндөгү түшүндүрмө сөздүктү караңыз. – Ред.)

Өзөктүк ширелүү жүрүмүн жүзөгө ашыруу үчүн атайын курулган ушул жабдуунун көлөмү эбегейсиз зор: ал футбол аянтынын үчөөнө тете кеңири аянтты ээлеп, 12 кабаттуу имараттын бийиктигинде курулган. Ал эми лазерлерди толук дүрмөттөө үчүн дээрлик бир апталык убакыт талап кылынат.

Деги америкалыктар эмнени жүзөгө ашырууга жетишти?

Тактап айтканда, өзөктүк ширелүү жүрүмүнө зарыл болгон шарттарды ийгиликтүү түзүү фактынын өзү – илим үчүн жаңылык деле эмес.

Кытай Элдик Республикасынын Илимдер академиясынын Плазма физикасы институтунун окумуштуулары мындан бир нече жыл мурда эле токамактагы плазманы 120 миллион градуска чейин ысытууну жана аны 17 мүнөт бою ушул ысык абалда кармап турууну жүзөгө ашырышкан. Бул жагдай өзөктүк ширелүү жүрүмү үчүн кенен-кесири шарт жаратат.

Америкалык илимий сыноодо болсо өзөктүк ширелүү жүрүмүнөн күтүлгөн төмөнкүдөй "кошумча нарк" өндүрүлдү.

Тарыхта биринчи жолу америкалык илимпоздор "артыкбаш нерсени" өндүрүүгө жетише алышты: бул – өндүрүштүк чынжырдын соңунда өзөктүк ширелүүнү баштоо үчүн талап кылынгандан көбүрөөк көлөмдөгү кубатты өндүрүүгө жетишүү натыйжасы болчу.

Бул натыйжаны "стероидге жайгаштырылган жана түбөлүк аракеттенип туруучу кыймылдаткычты" жасоо аракетине тете деп баалап айтууга мүмкүн.

Эгерде сандарды так белгилөө аркылуу туюнтчу болсок, анда лазердик нурлануунун жалпы кубаттуулугу 2 МЖга жакын көлөмдү түздү, ал эми өндүрүштүк чынжыр соңуна келгенде – б.а. өзөктүк ширелүү жүрүмүнүн натыйжасында, – 3 МЖ көлөмдөгү, башкача айтканда, бир жарым эсе көбүрөөк көлөмдөгү кубат өндүрүлдү.

Бирок бул жерде бир маанилүү эскертүүнү кыстара кетүү зарыл. Мында кеп өзөктүк ширелүү жүрүмү жүзөгө ашырылган идиштин өзүндө гана камтылган кубат жөнүндө болуп жатат.

Бардыгы болуп эң кубаттуу 192 лазердик нур чачкычты (нур атаар замбирекчени) дүрмөттөө жана ушул татаал илимий жабдууну аракетке келтирүү үчүн жалпысынан дээрлик 477 МЖ кубат сарпталды. Бул жалпы санды эске алганда, эч кандай "артыкбаш кубат өндүрүү" тууралуу сөз кылуунун да кажети жок. Мында өзөктүк ширелүү жүрүмүнүн пайдалуу аракет көрсөткүчү (ПАК) жалпы жумшалган кубаттын жарым гана пайызынан көбүрөөк болду; демек, анын жемиштүү натыйжасы жалпы сарпталган кубаттын 1 пайызына да караандаган эмес.

Андай болсо, өзөктүк ширелүүгө негизденген электр ишканалары качан курула баштамакчы?

АКШнын отун-кубат министри Женнифер Грэм айым ушул маанилүү сыноо ийгиликтүү жүзөгө ашкандыгы жөнүндө 13-декабрда дүйнө жүзүнө шардана кылып жатып, аны “XXI кылымдагы илимдин жеңишинин өзгөчө таасир калтырарлык туу чокуларынын бири” катары жогору баалады.

Чынын айтканда, нагыз илимий көз караштан алганда, бул сыноонун жыйынтыгын кандайдыр бир бурулуш жасоочу ачылыш деп айтууга дээрлик болбойт, деп күмөн санагандай баасын берген адистер да бар.

"Бул жерде эч кандай илимий бурулуш окуя деле жок. Акыр-аягында, алиги жабдуу дал ушундай натыйжага ээ болуу үчүн атайын беленделген болчу да. Албетте, мында абдан зор инженерлик жетишкендик камсыз кылынгандыгы шексиз", – деп ырастайт Красильников.

Албетте, инженердик көз караштан алганда, бул технологиялык саамалыкты чындап эле бурулуштун башаты катары эсептесе болот. Бирок жаркыраган (ошондой эле жылуу жана экологиялык жактан таза) өзөктүк кубаттын келечегин карай кетчү жол азыркы тапта деле өтө узак жана тар жол, тайгак кечүүгө ээ бойдон кала берип жатат.

Телегейи тегиз иштей турган, өзүн толук актаган жана кеңири өнөр жай тармагы катары аракетте болгон өзөктүк ширелүү жабдуусун курууга жетишчү учур ушул сааттарыбыздан, – бери дегенде, – он жылдай кечирээк келчүдөй өңдөнөт.

Дагы бир кызык жагдайды эске салсак, тээ 1950-жылдары эле советтик илимпоздор "мына эми жакынкы он жылдын ичинде эле..." деп пайгамбарлык кылышкан. Советтер Биримдигиндеги (дүйнөдөгү) алгачкы токамак 1954-жылы ишке киргизилген.

Бирок илгерки тамсилдеги "жүктүү араба" алигиче дүйнө жүзүндө өзүнүн эски ордунан саал-паал гана козголгон бойдон кала берүүдө. 1954-жылдан бери 68 жылдын жүзү болду. Бул "жүктүү араба" качан өз марасына жетээри тууралуу тагыраак жоромол кылууга азыркы күнү деле чамабыз чарк.

Учурда Франциянын түштүгүндө Кадараш илим изилдөө чордонунда 2020-жылдан бери курулуп жаткан "эл аралык өзөктүк жылуулук сыноо кыймылдаткычы" (ИТЭР) азыркы он жылдыктын аягында гана иштей баштайт. Ошондо да ага кубат өндүрүү мүдөөсү жүктөлбөстөн, өзөктүк ширелүү жүрүмүнүн физикалык оош-кыйыш жктарын андан ары иликтөө милдети коюлат.

Оболу өзөктүк ширелүү жүрүмүнүн натыйжасында өндүрүлчү кубатты андан ары адамзат пайдалана алышы үчүн чогултууга боло тургандыгына бери дегенде ынануу зарыл, эгерде бул кубатты чогултуп, кампада сактоого мүмкүн болсо, анда ал кандай ыкмада жүзөгө ашырылышы керек, деген сыяктуу илимий-технологиялык маселелер өз чечилишин күтүп жатат.

Орусиялык адис Анатолий Красильниковдун айтымында, эгерде технологиялык акыбалга сергек баа берчү болсок, анда өзөктүк ширелүүнүн мөмөсү болчу эбегейсиз зор электр кубатын өндүрүүчү натыйжалуу ишкананын телегейи тегиз иш алып баруусу тээ 2050-жылдарда гана турмуш чындыгына айланышы күтүлөт.

Кыскача терминдик түшүндүрмөлөр:

* 1 мегажоул (megajoule), б.а. 1МЖ (1MJ) = 0,277(7) кВт·саат кубатка тете.

* Жоул (Joule, кыскача J) – эл аралык чен-өлчөм системасындагы (Système international d’unités, SI) сарпталган жумуштун, сарпталган кубаттын жана сарпталган жылуулуктун санынын өлчөө бирдиги. Электр кубатын өлчөөдө 1 жоул – бул электр агымынын 1 амперге тете күчүн кармап туруу үчүн 1 волттук чыңалуудагы электр талаасынын күчтөрү тарабынан 1 секунд ичинде аткарылган жумуштун көлөмүн билдирет. Бул өлчөм термини британдык чыгаан физик Жеймс Прескотт Жоулдун (1818–1889) тегаты менен аталып калган.

* ИТЭР шарттуу кыскартылышы – англисче "International Thermonuclear Experimental Reactor" ("Эл аралык өзөктүк жылуулук сыноо кыймылдаткычы") деген сөз айкашынын баш тамгаларынан куралган. Бул "ITER" шарттуу кыскартылышы латынча "iter" – "арбычу жол", "сапарда болуу" маанисин берчү сөзгө да үндөш.

* Компланардуу – эгерде эки башка вектор бир тегиздикте же жарыш тегиздиктерде жатышса, алар компланардуу деп аталат.

* Өзөктүк бөлүнүү (англисче “nuclear fission”, орусча “ядерное деление”) – бул атомдун өзөгүнүн (nucleus) эки же андан көп майдараак өзөктөргө жиктелип кетишинин жүрүмү. Бул бөлүнүү жүрүмү көп учурларда гамма фотондорду жаратат жана радиоактивдүү ажыроонун отун-кубаттык стандарттары боюнча алганда да эбегейсиз зор кубатты бөлүп чыгарат.

* Өзөктүк ширелүү (англисче “nuclear fusion”, орусча “ядерный синтез”) – бул атомдун эки чакан өзөгүнүн бири-бирине ширелишип, салмагы оорураак жаңы өзөккө айлануусунун жүрүмү. Бул өзөктүк ширелүүнүн жүрүмүнүн натыйжасында кубат өндүрүлөт, анткени жаңыдан келип чыккан жалгыз өзөктүн жалпы массасы мурдагы (баштапкы) эки өзөктүн жалпы массасына салыштырмалуу азыраак болот. Ал эми жаңы өзөккө кошулбай калган масса кубатка айланат.

Бул жүрүм космос мейкиндигинде табигый түрдө орун алып келет. Дал ушул ырааттуу өзөктүк ширелүү жүрүмү Ааламдын жылдыздарын, – анын ичинде өзүбүздүн Күндү да, – кубат менен тынымсыз жабдып турат.

Ал эми өзөктүк отунду тынч максатта пайдалануу үчүн иштелип чыгып жаткан технологиялык ыкма да “өзөктүк ширелүү” деп аталат. Өзөктүк ширелүү ыкмасын колдонууда адамзат Жер планетасында салыштырмалуу мол учураган эки затты – литий менен суутекти пайдалануусу мүмкүн.

* Токамак – "то-ка-мак" – орусча «тороидальная камера с магнитными катушками» сөзүнөн кыскартылып алынган; котормосу – "магниттик сымга оролгон тороиддик бөлмөчө (же тороиддик идиш)". Бул жабдуунун көмөгү менен лабораториялык деңгээлде “жасалма Күн” жаратылат.

* "тороиддик" ("тор шекилинде") сөзү менен ичи көңдөй тегерек токочко окшогон магниттүү упаланган темирдин шекилинин сыртынан эмалданган же изоляцияланган сым оролуп коюлган технологиялык жабдууну туюнтушат. Башкача айтканда, бул "тороиддик бөлмөчө" же "тороиддик идиш" – сыртынан караганда "ичи көңдөй тегерек токоч" сымал шекилге ээ жабдуу.

* Технологияда колдонулган "тор" сөзүн кыргызча “тор” (суюктукту чыпкалоочу же нерсени жаап, же балыкты, аңды тор салып кармоочу нерсе; кийим тигүүдө же өрмөкчүлүктө ж.б. колдонулган тордоо ыкмасынын натыйжасы) сөзүнүн көп маанилери менен чаташтырбоо зарыл. Геометрияда колдонулган "тор" (латынча torus; көптүк түрдө tori) деген латынча сөз менен айлануу бети (тегиздиктеги сызыкты ага компланардуу болгон октун айланасында айландыруудан алынган бет) туюнтулат. Карапайым калайыкка түшүнүктүү болсун үчүн илимпоздор бул "тор" сөзүнүн ордуна "ичи көңдөй тегерек токоч" (англисче "donut", орусча "бублик") сөзүн да колдоно беришет.

* Экологиялык артыкчылык – өзөктүк отун түрүн тандоодогу критерийлердин бири. Өзөктүк бөлүнүүгө (nuclear fission) салыштырмалуу өзөктүк ширелүү (nuclear fusion) жүрүмүнүн натыйжасында пайда болчу радиоактивдүү калдыктар өтө төмөнкү деңгээлде болот. Ошондуктан өзөктүк ширелүү аркылуу өндүрүлчү кубат экологиялык жактан таза деп саналат. Демек, өзөктүк ширелүү жүрүмү үчүн зарыл заттын иштетилиши жана анын таштандысын сактоо – адамзат үчүн артыкчылыктуу багыт болууга тийиш. (TT)