Elementų transformacija: nuo alchemijos iki šiuolaikinės branduolių sintezės mokslo

Elementų transformacija: nuo alchemijos iki šiuolaikinės branduolių sintezės mokslo

Šimtmečius alchemikus viliojo idėja paversti paprastas medžiagas auksu, įkvėpdama legendas ir gausybę mokslinių bandymų. Šiandien šis siekis tebėra aktualus, tačiau dabar jis pagrįstas branduolinės fizikos, o ne mistikos principais.

Pagrindinis mokslinis principas, leidžiantis keisti vieną elementą kitu, yra gerai ištirtas ir patvirtintas branduolinės transmutacijos procesas. Dalelių greitintuvai bei didelės energijos greitintuvai, tokie kaip garsusis Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) Ženevoje, reguliariai suskaldo atomus, kartais sukurdami naujus elementus – netgi auksą. Tačiau tokie elementų sukūrimo būdai labai neefektyvūs. Pavyzdžiui, CERN vykdytas ALICE eksperimentas per ketverius metus sukūrė vos 29 pikogramus (trilijoninę gramo dalį) aukso, taip parodant, kaip nepraktiška dideliais kiekiais gauti auksą dalelių susidūrimų būdu.

Radikali idėja: aukso gamyba sintezės reaktoriuose

Į šią sritį žengė Kalifornijoje įsikūrusi „Marathon Fusion“ startuolis, siūlantis revoliuciją – elementų kūrimą pasitelkiant branduolių sintezės technologiją. Užuot naudojus tradicinius greitintuvus, įmonė siekia išnaudoti galingus neutronų srautus, kuriuos generuoja sintezės reaktorius, kad paverstų gyvsidabrį auksu.

Šis metodas remiasi branduoline reakcija: stabilųjį gyvsidabrio-198 izotopą veikiant didelės energijos neutronais, jis virsta nestabiliu gyvsidabrio-197 izotopu, kuris greitai skyla į stabilų auksą-197 – vienintelį natūralų aukso izotopą. Teoriškai šį procesą pritaikius pramoniniame didelės galios (gigavatų klasės) sintezės reaktoriuje, per metus būtų galima išgauti net kelias tonas aukso, rodo komandos skaičiavimai.

Neutronų transmutacijos mechanizmas

„Marathon Fusion“ vizijos esmė – naudoti deuterį ir tritį (vandenilio izotopus) kaip sintezės kurą. Šių izotopų susijungimas plazmos branduolyje išskiria milžinišką energiją ir didelės energijos neutronus. Neutronai, kurių energija viršija 6 megaelektronvoltus (MeV), gali inicijuoti gyvsidabrio-198 transformaciją į auksą. Tokie neutronai prasiskverbia giliai į medžiagas, padėdami įgyvendinti siekiamą atomų pokytį.

Siekdama pagrįsti šiuos teiginius ir optimizuoti procesą, įmonė naudoja „skaitmeninį dvynį“ – pažangią kompiuterinę simuliaciją, kuri modeliuoja reaktoriaus fiziką, neutronų srautus ir susidarančius radioaktyvius procesus. Tačiau tikrasis tikslaus proceso patvirtinimas priklausys nuo komercinės apimties sintezės reaktoriaus, kurio šiuo metu dar nėra.

Dabartiniai iššūkiai ir sintezės technologijų raida

Branduolių sintezė žada didžiulį švarios energijos potencialą, atkurdama žvaigždžių energijos gamybos principus, tačiau komercinio reaktoriaus sukūrimas tebėra vienas sudėtingiausių inžinerinių ir mokslinių uždavinių. Šiuolaikiniai eksperimentiniai reaktoriai, pavyzdžiui, Jungtinės Karalystės „Joint European Torus“ (JET), kol kas generavo tik ribotus sintezės energijos kiekius – tai pabrėžia likusias technines kliūtis.

Mokslininkai ieško naujų reaktorių koncepcijų, kad įveiktų šiuos iššūkius. Pavyzdžiui, Jungtinėje Karalystėje kuriamas sferinis tokamako projektas STEP („Spherical Tokamak for Energy Production“) siekia sumažinti reaktorių ir padidinti efektyvumą pakeičiant plazmos valdymo technologijas. Pirmasis STEP prototipas planuojamas iki 2040 metų, tad sintezės sektorius žvelgia į ateitį atsargiai optimistiškai.

Ekonominiai, praktiniai ir aplinkosaugos aspektai

Nors teoriškai aukso gamyba iš gyvsidabrio sintezės reaktoriuje įmanoma, šį optimizmą slopina keletas svarbių veiksnių. Visų pirma, naujai pagamintas auksas iš pradžių būtų radioaktyvus, todėl jam reikėtų taikyti sudėtingus laikymo, valymo ir saugos procedūras, atitinkančias griežtus reglamentus ir techninius reikalavimus.

Be to, „skaitmeninio dvynio“ simuliacijos ne visada tiksliai atspindi tikroviškas sąlygas. Daugelį subtilių fizinių reiškinių ar netikėtų techninių kliūčių gali būti sunku prognozuoti net pažangiausiais modeliais – dėl to eksperimentų patvirtinimas gali trukti metus. Branduolinės ir dalelių fizikos specialistai įspėja, kad pernelyg optimistinės prognozės dažnai kyla būtent iš modelių neatitikimų realybei. Kol komercinės sintezės reaktoriai neveikia ir elementų transmutacija nevykdoma dideliu mastu, aukso gamybos iš gyvsidabrio ekonominis naudingumas ir saugumas išlieka teorinis.

Visgi ši idėja pakankamai intriguojanti, kad pritrauktų investuotojų dėmesį tiek pažangios energetikos, tiek alternatyvių tauriųjų metalų šaltinių srityje. Naujosios „Kalifornijos aukso karštinės“ perspektyva – šį kartą pagrįsta proveržio sintezės technologijomis – išlieka viliojanti, nors ir dar tolima realybė.

Išvada

Aukso gamybos iš gyvsidabrio naudojant branduolių sintezę idėja žymi įspūdingą senovės siekių ir aukštųjų technologijų dermę. Tokios bendrovės kaip „Marathon Fusion“ rodo kryptį naujoms sintezės reaktorių taikymo galimybėms, tačiau kol kas prieš šios vizijos įgyvendinimą išlieka svarbūs techniniai, moksliniai ir teisiniai iššūkiai. Pramoninio masto aukso gamybos iš sintezės technologijų perspektyva lieka viliojanti – tiek branduolinės fizikos, tiek tauriųjų metalų rinkai, tačiau dar neišpildyta.