Zamonamiz alkimyogarlari

Yadro reaksiyalari bu — har qanday kimyoviy unsurni oltinga aylantirishni orzu qilgan va buning ilinjida ming bir xil aralashma, qotishma va eritmalarni tayyorlab ko‘rgan o‘rta asr alkimyogarlarining ro‘yobga chiqqan istaklaridir desak mubolag‘a bo‘lmaydi. Albatta, ularning istaklari aynan o‘sha holatda (ya’ni, istalgan unsurni tillaga aylanitiradigan tarzda) amalga oshgani yo‘q: elementlarning yadrolarini parchalash yoki biriktirish bilan tilla paydo bo‘lmaydi. Ammo, bunday yadro reaksiyalarining borishi davomida ajralib chiqadigan energiyani haqiqiy oltindan nimasi kam?

Zamonaviy yadro energetikasi to‘laligicha og‘ir elementlarning yadrolarning bo‘linish (parchalanishi) reaksiyalari asosiga qurilgan bo‘lib, bunday reaksiyalar uchun boshlang‘ich material sifatida qo‘llashga mos keluvchi og‘ir yadroli elementlar, masalan uran-237 kabilar zarur bo‘ladi. termoyadro reaksiyalari esa, aksincha, yengil yadrolarning o‘zaro birlashishiga asoslanadi. Bunday reaksiyalar nisbatan keng tarqalgan, xavfsizroq va arzonroq yoqilg‘i elementlar, masalan, vodorodning izotoplari bo‘lmish — deyteriy va tritiylarning o‘zaro birikishi bilan ham amalga oshirilishi mumkin. Qoldiqlari ham nurlanish manbaiga aylanadigan reaksiyalar bo‘lmish — yadroviy parchalanish reaksiyalaridagidan farqli ravishda, termoyadro reaksiyalaridan keyingi qoladigan «chiqindilar» ham, mutlaqo zararsiz moddalar, masalan, geliy kabilar bo‘ladi.

Biroq, deyteriy va tritiy yadrolarining birlashishi uchun, ularning o‘zaro to‘qnashish kuchi, bunday yadrolar orasida yuzaga keluvchi o‘zaro itarishish kuchidan ko‘ra ortiqroq bo‘lishi shart. Bunday holat esa, ehtimolligi juda-juda kam bo‘lsa hamki, tasodifan ham yuz berishi mumkin. Lekin, bunday birlashuvning atiga bir donasi amalda hech nimani o‘zgartirmaydi. Termoyadro reaksiyaning boshlanib olib, o‘zining keyingi davomiyligini barqaror ushlab tura olishga yetarli darajada avj olishi uchun, reaksiya davomida ajralayotgan energiya, reaksiya natijasida hosil bo‘layotgan (geliy kabi) moddalar bilan birgalikda tarqalib ketmasdan, balki, reaksiyaga kirishayotgan navbatdagi deyteriy va tritiy yadrolari juftligining birlashtirilishiga qisman bo‘lsa-da sarflanishi kerak.

Reaksiyani avj oldirish uchun ikki yo‘ldan biridan borish mumkin. Birinchisi — reaksiya ishtirokchilari bo‘lmish deyteriy va tritiy yadrolarini keraklikcha davomiylikda birga tutib turish orqali, yadrolarning to‘qnashuvi va birlashuvi ehtimolligi va natijasini orttirish bo‘lib, buning uchun, yoqilg‘i komponentlarini zaryadlangan va termik toblangan plazma holiga kelguncha qizdirishga to‘g‘ri keladi. Ushbu usul haqida ilk g‘oyalar paydo bo‘lgan dastlabki yillarda, olimlarga bunday plazmani hosil qilish va uni boshqarishni o‘rganish qolgan «xolos»dek tuyulgan. Taassufki, plazmani boshqarish oson yumushlar sirasidan bo‘lib chiqmadi va ushbu muammo ustida fiziklarning har qancha bosh qotirib izlanishlari hozircha besamar ketmoqda.

Ushbu masalaning yechimi ustidan yuritilgan eng dastlabki va hozirgi davr uchun mumtoz sanaluvchi yondoshuvlardan biri, bundan deyarli yarim asr muqaddam sobiq ittifoq fiziklari tarafidan bayon qilingan edi. Gap shundaki, plazmaning o‘ta yuqori harorati tufayli, uning atomlari o‘z elektronlaridan mosuvo bo‘ladi: plazma — avvalo tashqi elektromagnit maydon tutqichida to‘plab olish va keyin esa teshik kulchaga o‘xshash termohimoyali halqa bo‘ylab tezlatish mumkin bo‘lgan zaryadlangan zarralardan tashkil topgandir. Aynan shu tufayli, hozirda butun dunyoga mashhur bo‘lgan tokamak so‘zi yuzaga kelgan. U, ruscha «Toroidalnaya kamera magnitnaya» so‘zlarining dastlabki juft harflaridan tuzilgan.

Tokamak g‘oyasi avval boshda juda oqilona ishdek taassurot uyg‘otar edi: plazmani, uning qismlaridan birida zarrachalarning o‘zaro tasodifiy to‘qnashishi va birlashishi, buning natijasida boshqa zarrachalarni ham termoyadro reaksiyaga jalb etishga yetarli energiya berib, reaksiyaning keyingi bardavomligini ta’minlashi holatining yuz berishini kutishni o‘rganib olish yetarli bo‘ladi deb o‘ylashgan. Biroq, olimlarning baxtiga qarshi, plazma «ayyorroq» bo‘lib chiqdi va sarf etilayotgan barcha kuch-g‘ayrat va sarf-xarajatlarga qaramasdan, hozirgi kungacha ham, janob plazmaning o‘zini barqaror tutadigan holatga keltirishning imkoni bo‘lmayotir.

Biroq, shu kunlarda xalqaro ilmiy jamoatchilik nigohi, ushbu masala yechimda yangi bir davrni boshlab berishi kutilayotgan boshqa bir loyiha — ITERga qaratilmoqda. ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor so‘zlarining birinchi harflaridan yasalgan abbreviatura bo‘lib, insoniyatning, bo‘ysunuvchi termoyadro reaksiyalariga ega bo‘lish va uning energetik va boshqa mahsuldorliklarini o‘z manfaatlari uchun yo‘naltirishga bo‘lgan urinishlarining eng so‘ngi namunasi bo‘lib, uning ishi, haqiqiy ma’nodagi xalqaro ilmiy jamoa tomonidan yuritilmoqda. ITER loyihasi ustida ishlayotganlar ichida, Yevroittifoq va Rossiya, Qozog‘iston, Janibiy Koreya, Xitoy, Hindiston, AQSH va albatta Yapon olimlari hamda, muhandislari bo‘lib, loyihaga rus akademigi Yevgeniy Velixov rahbarlik qilmoqda. Ushbu ulkan loyihaning umumiy bahosi, hozircha 10 milliard yevroga teng bo‘lishi kutilmoqda va uning qurilish ishlari 2014 yildayoq boshlab yuborilgan. ITER koordinatalari Fransiya janubida joylashgan bo‘lib, qurilishning yakunlanishi hamda, loyihaning dastlabki amaliy sinovlari 2017 yilda boshlanishi ko‘zda tutilgan. ITERning yuragi, massasi 23 tonna va balandligi 60 metr bo‘lgan, toroidal magnit kamerasi bo‘lib, unda, deyteriy va tritiy ishtirokdagi o‘sha mumtoz reaksiyani jonlantirsh maqsad qilingan. ITERni ishga qo‘yish va reaksiyani amalga oshirish uchun muhandis-olimlarga kamida 3 kg miqdorda tritiy zarur bo‘ladi. Deyteriy unchalik qimmat emas, lekin, tritiyning har bir kilogrami, mutaxassislarga taxminan 30 million AQSH dollari atrofidagi kattagina xarajatga tushadi.

ITERning asosiy texnik tavsiflari:

Siqish kuchi

ITER hamda, sobiq ittifoq olimlari taklif etgan tokamak loyihalaridan tashqari, termoyadro yoqilg‘ini qizdirish uchun, mazkur yoqilg‘ini kuchli siqish usulidan foydalanish ko‘zda tutilgan yana bir termoyadro energetikasi loyihasi mavjud. Unda termoyadro yoqilg‘isini siqish, siqish bo‘lganda ham juda-juda kuchli siqish kerak bo‘ladi. Shunchalik kuchli siqish kerakki, birlashish reaksiyasi favqulodda tez fursatlarda boshlanishi va uning mahsullari tarqalib ketishga ulgurmasidan avval, keyingi boshqa yadrolarning birlashishini ta’minlashga xizmat qilishi kerak va bu orqali barqaror va boshqariluvchi termoyadro reaksiyasiga ega bo‘lish maqsad qilingan.

Bunday yondoshuvning istiqbolli ekanligi 1974-yildayoq, ya’ni, KMS Fusion kompaniyasi mutaxassislari tomonidan, o‘ta katta quvvatli lazer nurlari dastasi yordamida termoyadro yoqilg‘isini kuchli siqishga erishilgan vaqtda namoyon bo‘lgan edi. Biroq o‘shanda ham, termoyadro reaksiyani o‘zini-o‘zi barqaror davom ettirib turadigan tarzda avj oldirishga erisha olishmagan edi. Keyinchalik ushbu maqsad yo‘lida qo‘llash uchun yanada quvvatliroq lazerlar ishlab chiqildi va mazkur ixtirochilik zanjirining yuqori cho‘qqisi sifatida AQSHlik muhandislar tayyorlagan NIF qurilmasi namoyon bo‘ldi. NIF — (National Ignition Facility, ya’ni, Milliy o‘t Oldirish Qurilmasi) 90-yillarning oxirida barpo etila boshlangan lazer qurilmasi bo‘lib, uning muddaosi nomidan ham yaqqol ko‘rinib turibdi. Unda 192 ta yo‘naltirilgan va o‘zaro muvofiqlashtirilgan tarzda ishlovchi ultrabinafsha lazer nurlari dastasi, ichiga termoyadro yoqilg‘i joylashtirilgan kichik bir kapsulaga 500 TVt gacha bo‘lgan energiya impulsini yo‘naltirishi mumkin. NIF qurilmasining eng asosiy qismi bu ichiga termoyadro yoqilg‘i joylashtiriladigan kapsula bo‘lib, u xolraum deb nomlanadi. U lazer nurlari energiyasini yutib, ularni o‘z ichkarisiga rentgen nurlari ko‘rinishida qayta nurlantiradi. Ichkariga yo‘naltirilgan (nurlantirilgan) energiya esa, xolraum ichidagi yanada kichikroq obyektga ta’sir qiladi. Xolraum ichidagi bu obyekt — diametri 2 mm atrofidagi mitti sfera bo‘lib, aynan uning ichiga termoyadro yoqilg‘isi bo‘lgan elementlar — deyteriy va tritiy joylashtiriladi. Bunday mitti namunaning shunday katta energiya ta’siriga tushib qolganida qanday ahvolga tushishni tasavvur qilish qiyin… Nima bo‘lganda ham u o‘zini juda injiq tutadi. Xolraumning kuchli ichki rentgen nurlantirishiga qaramay, yoqilg‘i namunasi ravon sfera shaklida bir maromda siqilish o‘rniga, g‘ayrioddiy g‘alati shakllarga kiradi va siqilish bosimi, reaksiyani boshlab yuborish uchun yetarli qiymatgacha yetib bormaydi…

Biroq, yaqinda NIF muhandislari buning uddasidan chiqishganligini butun dunyo ilmiy jamoatchiligiga ma’lum qilishdi. Ular lazer nurlari quvvatini imkon boricha eng maksimal ravonlik darajasidagi bir maromda uzatishga urinib ko‘rishdi: termoyadro yoqilg‘i, taxminan 10 KJ energiya yutib, 17 KJ atrofida energiya ajratib chiqardi (yutilgan va ajralib chiqqan energiya miqdorlarining nisbatlari, ba’zi hollarda 1.2 dan 1.9 gacha bo‘lgan sonlarni tashkil qildi). Biroq, ushbu erishilgan natijani ham mutaxassislar hozircha yetarli emas deb baholamoqdalar uning keyingi rivoji ham, uzoq kutilayotgan termoyadro energetikasi inshootlarining barpo etilishiga olib borishiga katta shubha bildirmoqdalar. Haqiqatan ham, AQSHlik NIF qurilmasi mutaxassislarining har qancha faxrlanishlariga qaramay, faqat termoyadro yoqilg‘i tomonidan yutilgan energiya miqdorining «toza» son miqdorini e’tiborga olmasak, NIF qurilmasining 192 dona katta quvvatli lazerlari bilan birgalikdagi umumiy samaradorlik ko‘rsatkichi, reaksiya yakuniga ko‘ra atiga 1% ni tashkil etadi. Boshqacha aytganda — NIF foydali ish koeffitsenti deyarli NOL bo‘lib chiqmoqda. Asosiysi esa, reaksiyaning boshlanishi va barqaror davom etishi uchun yetarli ravishda «o‘t oldirish» hali hamon uddalangani yo‘q.

Bunga erishish uchun esa, NIF usulining samaradorlik ko‘rsatkichini yana bir necha barobar orttirish talab etiladi. Balki bunga hatto nazariy jihatdan ham erishishning imkoni yo‘qdir… Chunki, lazerlarning bunday bir me’yor maromida uzatishda termoyadro yoqilg‘isi o‘ta tezkorlik bilan qizib ketadi va natijada bosimning tashlab yuborishi sodir bo‘ladi. Demak…2017-yilda ITER ishga tushganidan keyin ham, balki yana yurish navbati, mumtoz tokamaklar tarafiga o‘tishi ehtimol…

Maqolamiz so‘ngida, termoyadro reaksiyalarining barqaror boshqarish shartlari haqida to‘xtalib o‘tmoqchimiz. Shartlar atiga ikkita bo‘lib, ular XX-asrning 50-chi yillaridayoq keltirib chiqarilgan N·t>~10²⁰ tenglamaga bo‘ysunadi. Bunda N — zarrachalar konsentratsiyasi, t — vaqt. Termoyadro reaksiyasini boshqarish, Louson kriteriysi deb nomlanuvchi usullardan — yoki plazmani tutib turish vaqtini uzaytirish (sobiq ittifoq tokamaklari va zamonaviy ITERlar shu tamoyilga asoslanadi) usulidan, yoki, zarrachalar konsentratsiyasini orttirish va termoyadro yoqilg‘ini imkon boricha maksimal siqish orqali erishish mumkin.