Louson kriteriysi

Termoyadro sintezi jarayonidan energiya manbai sifatida foydalanish imkonli bo‘lishi uchun, zarrachalarning zichligi va ularni bir-biri bilan chegaraviy yaqin masofada tutib turish muddati (vaqti) ko‘paytmasi muayyan qiymatdan yuqori bo‘lishi zarur.

Termoyadro sintezining mohiyati shundaki, unda reaksiya davomida nisbatan yengil kimyoviy elementlar yadrosidan og‘irroq elementlar shakllantiriladi. Bunday yadroviy sintez reaksiyalarning aksariyatida, reaksiya natijasida hosil bo‘lgan yangi element yadrolarning massasi (ba’zan bunga qo‘shimcha ravishda, ikkilamchi mahsulotlar massasi ham qo‘shiladi) reaksiyada ishtirok etayotgan boshlang‘ich yadrolarning massasidan kam bo‘lib chiqadi. Eynshteynning mashhur E=mc² formulasiga ko‘ra, mazkur jarayonda, o‘sha ortib qolayotgan massa — sof energiyaga aylanib chiqib ketadi. Aynan shunday yadroviy sintez reaksiyalari orqali odamzot o‘z ehtiyoji uchun kerak bo‘lgan energiya ishlab chiqarishi mumkin.

Yulduzlarning energiya bilan ta’minlaydigan asosiy manbai bu — vodorod yadrosidan, ya’ni, protonlarda geliy elementini sintez qiladigan termoyadro sintez reaksiyasidir. Bunday reaksiya uch bosqichda kechadi: birinchi bosqichda, oddiy vodoroddan uning nisbatan og‘irroq izotopi — deyteriy shakllanadi. Bu — ikkita protonning o‘zaro to‘qnashishi natijasida sodir bo‘ladi. Vodorod va uning izotoplarini bu tarzda sintez qilish — termoyadro reaksiyalari ichida eng soddasi bo‘lib, uni laboratoriya sharoitida takrorlashga bo‘lgan urinishlar XX-asr o‘rtalaridan buyon fizik-yadroshunoslarning diqqat e’tiboridan tushmayotir. Mutaxassislarni bunday vodorod sintezi reaksiyasini sun’iy hosil qilishga nisbatan ilhomlantirayotgan omil juda oddiy. Agar bunday reaksiyani maxsus reaktorlarda inson tomonidan hosil qilinsa va uni boshqarishni uddalansa, bu orqali bitmas-tuganmas va arzon energiya manbaiga ega bo‘lish mumkin. Axir, dunyo okeanida deyteriy zaxiralari tiqilib yotibdi. Buning uchun deyteriy yadrolarini o‘zaro reaksiyaga kirishishga majbur qilish kera xolos…

Yadroviy sintezni odam xizmati uchun bo‘ysundirishga bo‘lgan urinishlarda olimlar termoyadro sintezining yulduzlarda kechadigan birinchi bosqichini istisno qilib, birato‘la ikkinchi bosqichdan ish boshlashga urinadilar. Ya’ni, hozirda olimlar termoyadro reaksiyasida deyteriy (u ²H tarzida belgilanadi) va tritiy (³H) ni sun’iy sintez qilishga harakat qilmoqdalar. Tritiy — vodorodning yadrosida ikkita neytron va bitta proton mavjud bo‘lgan eng og‘ir izotopi bo‘lib, deyteriy va tritiy sintez qilish termoyadro reaksiyasi natijasida bitta geliy atomi hosil bo‘lishi va orada bitta neytron (n) ajralib chiqib ketishi kerak. Aynan jarayon energiya manbai bo‘lib xizmat qiladi. Ushbu reaksiya formulasi quyidagicha:

³H+²H→⁴He+n

O‘z navbatida, reaksiya uchun zarur tritiy zaxiralarini ushlab turish uchun, yuqoridagi reaksiya natijasida uchib chiqayotgan neytronlarni og‘irroq litiy izotopi bilan tutib olish kerak:

⁶Li+n→³H+⁴He

Boshqariladigan deyteriy va tritiy termoyadro sintezi reaksiyalarini hosil qilishning eng asosiy muammosi shundaki, bunda ikkita musbat zaryadlangan zarrachalarga muayyan tezlanish berish va ularni reaksiya boshlanishi uchun yetarli bo‘ladigan minimal masofagacha o‘zaro yaqinlashtirish kerak. Ya’ni, musbat zaryadlarning ishoralari bir xil bo‘lgani sababli, ularni o‘zaro itarilishga majbur qiluvchi elektrostatik kuchni yengib o‘tish zarur bo‘ladi. Amalda bu degani shu narsani anglatadiki, deyteriy va tritiy aralashmasini million darajalargacha qizdirish kerak bo‘ladi. Bunday haroratni esa hech qanday material tutib tura olmaydi (ichida million darajali reaksiya boradigan reaktor-pech qursa bo‘ladigan materialning o‘zi yo‘q). Ya’ni, bunda amalda plazma holatidagi moddani nima bilandir ushlab turish muammosi turibdi. Lekin, basharti shunday yuqori haroratga erishgan taqdirimizda ham (zamonaviy texnologiyalar orqali bunga erishsa bo‘ladi) hosil qilingan termoyadro reaksiyasi natijasida, biz ushbu reaksiyani hosil qilish sarflangan energiyadan ko‘proq energiya olishimizga kafolat yo‘q.

Louson kriteriysi aynan shu masala yuzasidan tushuntirish beradi. Bu kriteriy energiya olinadigan termoyadro sintezi reaksiyasini barqaror va bardavom bo‘lishi uchun zarur bo‘lgan reaksiyalarning bir soniyada yuz berishi kerak bo‘lgan minimal sonini, ya’ni, chastotasini belgilaydi. Sun’iy termoyadro sintezi reaksiyasini ikki xil yo‘l bilan hosil qilish mumkin. Birinchi usulda — o‘zaro ta’sirlashishi lozim bo‘lgan zarrachalarning bir muhitdagi joylashuv zichligini imkon qadar o‘ta yuqori zichlikka olib chiqish kerak. Ya’ni, bunda zarrachalarning o‘zaro to‘qnashib, geliy hosil qilish ehtimoli orttiriladi. Ikkinchi usulda — zarrachalarni eng minimal chegaraviy masofada lekin uzoqroq muddat davomida ushlab turiladi. Bu orqali zarrachalarga o‘zaro reaksiyaga kirishish uchun qancha kerak bo‘lsa, shuncha vaqt beriladi. Lekin bunda aynan qancha vaqt ketishini aniq bilishning deyarli iloji yo‘q va u juda uzoq kutishga majbur qilishi mumkin. Xulosa qiladigan bo‘lsak, termoyadro sintezi energiya yetkazib berishni boshlashi uchun

Nt> ≈10²⁰

shart bajarilishi kerak ekan. Bunda N — zarrachalarning konsentratsiyasi (hajm birligidagi zarrachalar soni); t esa vaqt (soniya birligida). Aynan shu ifoda ilm-fanda Louson kriteriysi deb ataladi va u boshqariladigan termoyadro sintezi reaksiyasining boshlanishi uchun taqozo qilinadigan zaruriy sharoitni belgilaydi. Uning mohiyati shundan iboratki, reaksiyaning boshlanishi uchun zaruriy haroratga yetish asnosida, zarrachalarning konsentratsiyasi (yoki zichligi) va ushbu zichlikni ta’minlay oladigan hajmni tutib turishga sarflanadigan vaqt qiymatlarini muayyan murosaga keltirish zarur bo‘ladi. Ya’ni, zarrachalarning nisbatan kam konsentratsiyasi bilan ham, lekin, ularni keraklikcha uzoq vaqt birga tutib turish orqali ham termoyadro sintezini boshlab yuborish mumkin; yoki, kamroq vaqt sarflab, lekin, zichlikni o‘ta yuqori darajalargacha oshirish orqali ham sun’iy termoyadro sintezi reaksiyasini hosil qilish mumkin.

Fizik-yadroshunos-muhandis mutaxassislar boshqariladigan termoyadro sintezini hosil qilish uchun har ikkala usulni ham qo‘llab ko‘rishgan. Ya’ni, ular reaktorlarda vodorodni siqib, keyin esa uni plazma holatiga o‘tgunicha qizdirishgan. Keyin esa, o‘sha plazma holatidagi vodorodni termoyadro sintezi jarayonida ushlab turishgan. Muhandis-yadroshunoslar ushbu usullarni shartli ravishda «magnit qopqoni» hamda «inersial qopqon» deb ataydilar.

«Magnit qopqoni»da plazmani o‘ta yuqori quvvatli magnit maydoni vositasida tutib turiladi. Harorat ortishi bilan magnit maydonini kuch chiziqlari zichlashadi hamda qaynoq plazma konteyner devorlaridan itarilib, konteyner markazida zichlasha boshlaydi. Zarrachalarning zichligi va ularni o‘zaro yaqin masofada tutib turish muddati Louson kriteriysi orqali aniqlanadigan chegaraviy qiymatni kesib o‘tishi bilanoq termoyadro sintezi reaksiyasi boshlanib ketadi. Hozirda bunday yuqori kuchlanishli magnit maydon hosil qila oladigan, ya’ni, magnit qopqonini amalda yaratish imkoni beradigan texnik yechimlar, tajriba-sinov uskunalari tariqasida bo‘lsa-da, harholda jahonning ayrim yetakchi fizika ilmiy dargohlarda allaqachon mavjud. Shunday texnik yechimlardan birini Buyuk Britaniyaning Kalxem hududida joylashgan «JET» (Joint European Torus) butun Yevropa qo‘sha loyihasi uskunalarida ko‘rish mumkin. JET loyihasi doirasida tajriba-sinov tariqasida termoyadro sintezini boshlanishi uchun zarur sharoitlarni hosil qilish tajribalari o‘tkazib ko‘rilgan va muayyan kichik muvaffaqiyatlarga ham erishilgan. Lekin, ushbu loyihada o‘tkazilgan sinovlar shuni ko‘rsatdiki, JET uskunalarida hosil qilingan boshlang‘ich sharoitlar orqali boshlab olingan termoyadro sintezi reaksiyasidan olinadigan energiya, ushbu uskunalarni ishga tayyorlash va reaksiyani boshlash uchun sarflangan energiya va xarajatlarni oqlamas ekan. Sodda qilib aytganda, JET loyihasining uskunalari hali mukammal emas va samarasiz bo‘lib chiqdi. Shunga o‘xshash loyihani avval Sobiq Ittifoq yadroshunos fiziklari, keyinchalik, MDH va asosan Rossiyalik fizik-yadroshunoslaridan iborat ilmiy guruhlar ham amalga oshirishga urinib ko‘rishgan bo‘lib, ularning loyihasi «TOKAMAK» deb nomlangan (TOroiadlnaya KAmera s MAgntinimi Katushkami so‘zlaridan yasalgan abbreviatura). Biroq, ularning loyihasi ham aytarli natija bergani yo‘q.

Inersial qopqonning mohiyati esa boshqacharoqdir. Bunda o‘ta past haroratlargacha sovutilgan deyteriy va tritiy tomchilari shisha kapsulaga joylashtiriladi. Keyin esa ushbu aralashmani har tomondan o‘ta katta quvvatli lazer nurlariga tutiladi. Natijada tomchilarning tashqi qatlami juda tezkorlik bilan bug‘lanib ketadi. Tomchining ichki qatlamlariga esa zarba to‘lqinlari kelib uriladi. Ushbu zarba to‘lqinlari vodorodni o‘ta katta zichlikkacha siqib, termoyadro sintezi reaksiyasi boshlanishiga yetarli bo‘ladigan darajada qizitib yuboradi. Inersial qopqonni hosil qila oladigan lazer qurilmasi 2006-yilda AQSHning Livermor Milliy Laboratoriyasida ishga tushirilgan edi. Lekin, ushbu qurilma orqali ham hali aytarli natijaga erishilganicha yo‘q. Ushbu qurilmada vodorod tomchilarini umumiy energetik impulsi 1,8 megajoul bo‘lgan 192 ta lazer orqali nurlantiriladi.