Godinot Latvijas zinātnieku ieguldījumu kodolenerģijas izpētē, Latvijas Universitāte sadarbībā ar Latvijas Banku organizēja ko dolsintēzei veltītu lektoriju “Pieradināt nākotnes enerģiju” un Latvijas Bankas emitētās Enerģijas monētas prezentāciju, 2024. gada 26. septembris. Toma Grīnberga/LU foto
Andris Šternbergs, Anatolijs Popovs, Marina Koņuhova
Šodien daudz tiek runāts par kodolenerģiju. Klimata un enerģētikas ministrija ir izstrādājusi kodolenerģijas ziņojumu, kurā minēts, ka Latvija ir ieinteresēta sekot Igaunijas pieredzei, bet 21. maijā Rīgā norisinājās kārtējā konference “Kodolenerģija Latvijai”. Šajā rakstā Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta pētnieki skaidro, kāda ir atšķirība starp nākotnes kodoltermiskajiem reaktoriem un šobrīd plaši izmantotajām kodolelektrostacijām, vai un cik tas ir droši un kādi projekti tiek realizēti Latvijā.
Laikraksts "Zinātnes Vēstnesis", Nr.5 (654), 2025. gada 26. maijs (PDF).
Ievads
Termiskās kodolsintēzes reaktori ir daudzsološi un droši ekspluatējami enerģijas avoti alternatīvai nākotnei, lai gan ne ātrāk kā šī gadsimta otrajā pusē. “Klasiskajā” kodolreaktorā notiek smago kodolu sadalīšanās (fission) vieglākos fragmentos, proti, urāna U235 kodoli šķeļas: 235U + n = 2n + 92Sr + 140Xe.
Termiskajā kodolsintēzē norit process, līdzīgs tam, kas nepārtraukti realizējas zvaigžņu, tai skaitā mūsu Saules, dzīlēs no plaši pieejamas kodoldegvielas – ūdeņraža vai tā izotopiem. Deitērija un tritija saplūšanas (fusion) rezultātā veidojas smagāki hēlija atomi un, galvenais, reakcijā tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums: 2D + 3T = 4He + 1n + 17,6 MeV.
Šajā gadījumā arī izejvielu problēmām nevajadzētu būt – deiterijs ir stabils un dabā izplatīts izotops, ko var iegūt no ūdens. Tritiju, savukārt, plānots iegūt pašā kodolsintēzes reaktorā no litija. Aplēsts, ka 1 kilograms ūdeņraža var dot tikpat daudz enerģijas, cik 10 000 tonnu ogļu. Kodoltermiskais reaktors radiācijas ziņā ir ievērojami drošāks par klasisko kodolreaktoru. Pirmkārt, tajā esošo radioaktīvo vielu daudzums ir salīdzinoši neliels. Arī enerģijas daudzums, kas varētu atbrīvoties kādas avārijas rezultātā, ir mazs un nevar izraisīt reaktora iznīcināšanu. Turklāt reaktora konstrukcijā ir vairākas dabiskas aizsardzības barjeras, kas kavē radioaktīvo vielu izplatīšanos. Piemēram, vakuuma kamera un kriostata apvalks ir projektēti kā hermētiski slēgti, jo citādi reaktors nespētu darboties. Neskatoties uz to, projektēšanas laikā liela uzmanība tika pievērsta radiācijas drošībai gan normālas darbības laikā, gan iespējamās avārijas situācijās. Procesā tomēr ir jāņem vērā daži iespējami radioaktīvā piesārņojuma avoti:
- radioaktīvā ūdeņraža izotopa – tritija neplānota noplūde;
- fragmentēta radioaktivitāte iekārtas materiālos, ko izraisa neitronu apstarojums;
- radioaktīvie putekļi, kas veidojas plazmas iedarbības rezultātā uz reaktora pirmo sienu.
Neraugoties uz to, termiskās kodolsintēzes reaktori var nodrošināt ilgtermiņa energoapgādi, kā arī tiem vēl ir šādas priekšrocības:
- nav siltumnīcefektu izraisošu gāzu izmešu;
- to ikdienas darbība nav saistīta ar radioaktīvu materiālu pārnešanu;
- pareizi uzvēloties materiālus, reakcijas atkritumi neuzliks ilgtermiņa apgrūtinājumus nākamajām paaudzēm.
Rezumējot, kodolelektrostacijas ir vienīgais bez oglekļa enerģijas avots, kas var nodrošināt stabilu elek troenerģiju dienu un nakti, jebkurā gadalaikā, gandrīz jebkurā mūsu planētas vietā. Jāatzīmē, ka Starptautiskajā enerģijas un vides konferencē COP26 kodolenerģija tika atzīta kā zaļā enerģija – tehnoloģija, kas ievērojami mazinās CO2 daudzumu atmosfērā salīdzinājumā ar citiem, tai skaitā atjaunīgās enerģijas, avotiem.
Atskats vēsturē
2006. gada 21. novembrī Eiropas Savienības un sešu lielvalstu (ASV, Dienvidkorejas, Indijas, Japānas, Krievijas un Ķīnas) līderi Parīzē Francijas prezidenta Žaka Širaka (Jacques Chirac) rīkotajā pasākumā Elizejas pilī parakstīja vienošanos par ITER (The International Thermonuclear Experimental Reactor) būvi. Interesanti piebilst, ka ITER latīņu valodā nozīmē “ceļš”.
Kodolsintēzes pētījumi Latvijā aizsākās pagājušā gadsimta 70. gados, kad akadēmiķis, prof. Oļģerts Lielausis izveidoja šķidrā metāla ierobežotājus plazmas kontrolei. Astoņdesmitajos gados akadēmiķa, prof. LU CFI vadošais pētnieks, LZA korespondētājloceklis Anatolijs Popovs. EUROfusion galvenais mērķis ir nodrošināt elek troenerģijas ražošanu, ko plānots pārbaudīt, izbūvējot demonstrācijas elektrostaciju (DEMOnstration Power Plant – DEMO), kas pašlaik atrodas agrīnā projektēšanas stadijā. Paredzēts, ka DEMO spēs piegādāt kodoltermisko enerģiju tīklam aptuveni līdz 2050. gadam. Pašlaik Kadarašā (Cadarache) Francijā, kas ir apmēram 70 km attālumā no Marseļas, tiek būvēts liela mēroga eksperimentālais reaktors ITER, kura darbību saskaņā ar pašreizējiem plāniem paredzēts sākt ap 2035. gadu. Tomēr jāuzsver, ka ITER ir pētniecības projekts, nevis elektrostacija. Jura Tīlika (1937–2007) vadībā tika pētīti dažādu tritiju atražojošu materiālu īpašības kodolsintēzes apstākļos. 1999. gadā Latvijas zinātnieki akadēmiķi Andris Šternbergs, Oļģerts Dumbrājs (1942–2022) un Oļģerts Lielausis uzsāka sarunas ar EURATOM (European Atomic Energy Community) zinātnisko projektu vadītāju H. Brunu (H. Bruhns).
Rezultātā 2001. gada 19. decembrī tika parakstīts Eiropas Atomenerģijas kopienas un Latvijas EURATOM Asociācijas līgums. 2002. gada 16. janvārī LU Senāta zālē notika Asociācijas atklāšana un tās vadības komitejas pirmā sēde. Līdz ar to Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta (LU CFI) vadībā, sadarbojoties ar LU Fizikas institūtu (LU FI), LU Fiziklās ķīmijas institūtu (LU FĶI) un arī uz kādu laiku LU Matemātikas institūtu, aizsākās kopdarbs pie pasaules lielākā zinātniski pētnieciskā projekta.
EUROfusion
2014. gada 9. oktobris kļuva par nozīmīgu pavērsiena punktu Eiropas zinātnes attīstībā. Šajā dienā organizācijas, kas nodarbojās ar kodoltermiskās sintēzes pētījumiem Eiropas Savienības dalībvalstīs un Šveicē, parakstīja vienošanos, kas nostiprināja sadarbību kontinentālā līmenī. Tā tika izveidots EUROfusion – iniciatīva, kas vērsta uz labāko zinātnisko prātu un tehnoloģisko resursu apvienošanu kodoltermiskās enerģijas reaktora izstrādei. Šajā konsorcijā ir iekļāvušās 28 Eiropas valstis, Šveice, Apvienotā Karaliste, un jau vairāk nekā 5 gadus tā dalībvalsts ir arī Ukraina. Kopumā šajā iniciatīvā ir iesaistīti vairāk nekā 4800 zinātnieku no 150 universitātēm un vairāk nekā 30 nacionālajiem pētnieciskajiem institūtiem. Lai gan ar kontrolētas kodoltermiskās sintēzes pētījumiem nodarbojas spēcīgi zinātniski un tehniski kolektīvi attīstītajās Eiropas un pasaules valstīs, līdz rūpnieciskai kodoltermiskās enerģijas ražošanai vēl jāatrisina daudz sarežģītu problēmu. Konsorcija EUROfusion misija ir nobruģēt ceļu uz kodoltermisko reaktoru attīstību. Šis ambiciozais uzdevums prasa daudzu zinātnisku un tehnoloģisku problēmu risināšanu. Konsorcija galvenais uzdevums ir 2025. gadā izstrādāt reālu Darba plānu 2026/27 (Work Plan 2026/27) kā Eiropas kodoltermiskās enerģijas īstenošanas ceļvedi. Papildus EUROfusion koordinē apmācības un izglītības aktivitātes Eiropas kodolsintēzes pētniecībā, nodrošinot atbalstu gan tieši, gan ar dažādu projektu konkursu palīdzību.
Apmācību jomā EUROfusion piešķir inženieru grantus (EUROfusion Engineering Grants), pēcdoktorantūras pētnieku stipendijas (EUROfusion “Bernard Bigot” Researcher Grants), kā arī tiek finansēta Eiropas maģistra programma sadarbībā ar FuseNet izglītības tīklu. Savukārt Enabling Research (ENR) programma atbalsta augsta riska un augsta ieguvuma projektus, kas sniedz unikālu iespēju integrēt visjaunākās idejas un metodes kopējā pētniecības plānā. Projektu atlasi veic zinātniskās padomes pēc atklāta konkursa. ENR aptver četras galvenās jomas: materiālus, tehnoloģijas un fundamentālo fiziku – teoriju un modelēšanu. Programmas būtība ir atbalstīt projektus, kuru saturs būtiski, ar inovatīvām idejām atšķiras no EUROfusion pamata darba paku pētniecības virzieniem. Jau vairāk nekā desmit gadus ik pēc trim gadiem tiek uzsākti 15–16 projekti ENR programmas ietvaros, aptverot visu plašo augstākminēto uzdevumu spektru.
Pētījumi Latvijā
Latvijas zinātnieku komandā, kuru koordinē LU CFI, apvienojušies ap 80 speciālistu – pētnieki, tehnologi un inženieri, kuri pētījumi ir koncentrējušies konstrukcijas un funkcionālo materiālu izpētē, kas spēj adaptēties kodoltermiskā reaktora ekstremālajā vidē.
Katra projekta izstrādē piedalās starptautiska zinātnieku komanda, tādējādi veicinot gan zināšanu un pieredzes apmaiņu, gan radot jaunas sadarbības iespējas. LU CFI tiek veikti gan teorētiskie, gan eksperimentālie pētījumi, kuru mērķis ir izprast un prognozēt radiācijas bojājumus – defektus, kas rodas intensīvas neitronu un gamma starojuma iedarbības rezultātā. Viena no galveno uzdevumu jomām ir augstas radiācijas un termiskās izturības keramikas un tēraudu izstrāde, kas spētu nodrošināt uzticamu reaktoru darbību pat visekstrēmākajos apstākļos, kā arī paaugstinātas radiācijas izturības optiski caur spīdīgu materiālu izveidi, kurus nākotnē varētu izmantot diagnostikas ierīcēs reaktora darbības uzraudzībai.
Piemēram, akadēmiķa Dr. habil. phys. Jevgeņija Kotomina vadībā plaša Eiropas partneru komanda veic pētī jumus jaunu radiācijas izturīgu optisko un dielektrisko materiālu izstrādē DEMO reaktoriem, cenšoties izprast radiācijas izraisīto defektu veidošanos materiālos dažādu apstarošanas veidu (neitronu, elektronu, jonu un protonu) ietekmē, kā arī analizēt to ietekmi uz materiālu degradāciju, apvienojot modernas teorētiskās un eksperimentālās metodes.
Savukārt akadēmiķa Dr. phys. Alekseja Kuzmina vadītā grupa veic pētījumus par oksīdu dispersijas pastiprināto ferrītu nerūsējošo tēraudu (ODS FS) īpašībām, kas tiek uzskatīti par daudzsološiem konstrukcijas ma teriāliem augsttemperatūras pielietojumiem gan kodol reaktoros, gan nākotnes kodolsintēzes iekārtās, rezultātā rūpnieciskā mērogā demonstrēt izvēlēto materiālu un metožu efektivitāti. Drošai un veiksmīgai ITER reaktora darbībai ir būtiski precīzi noteikt plazmas degvielas uzkrāšanos berilija, volframa un jaukto nogulšņu veidā uz plazmu skarošajām reaktora sienām. LU CFI vadošā pētniece Dr. phys. Jeļena Butikova koordinē darbu, kas saistīts ar reaktora sienu, kas nonāk saskarē ar plazmu, materiālu stāvokļa analīzi un piemaisījumu noteikšanu, izmantojot lāzera inducētās plazmas spektroskopijas (LIBS) metodi, kas ļauj konstatēt visniecīgākās izmaiņas materiālu sastāvā.
LU ĶFI speciālisti LZA korespondētājlocekles Dr. phys. Elīnas Pajustes vadībā izmanto unikālas metodes, lai pētītu tritija uzvedību materiālos, kas nonāk saskarē ar plazmu, aptverot plašu materiālu spektru — no berilija un volframa līdz litija keramikai un oglekļa šķiedras kompozītiem. Īpaša uzmanība tiek pievērsta arī problēmai, kā nodrošināt efektīvu siltuma aizvadīšanu no reaktora kameras.
Laikā no 2015. līdz 2023. gadam LU CFI ir izstrādāti 3 projekti. Akadēmiķa Dr. habil. phys. Jura Purāna vadībā rentgena absorbcijas spektroskopijas mērījumi tika veikti starptautiskajās sinhrotronu starojuma laboratorijās ODS tērauda paraugiem, kuru rezultātā tika iegūti unikāli rezultāti par atoma līmeņa lokālo struktūru oksīdu nanodaļiņās ODS materiālos un noskaidrots, kad un kā šīs oksīdu nanodaļiņas veidojas. LZA korespondētājlocekļa Dr. phys. Anatolija Popova vadībā tika izstrādāti 2 projekti. Vienā līdzās tradicionālajām optiskās absorbcijas un luminiscences metodēm papildus tika izmantotas magnētiskās rezonanses un vibrāciju spektroskopijas metodes, kā arī neitronu izkliede, lai izsekotu radiācijas defektu attīstībai svarīgos funkcionālajos materiālos – dimantā (kas tiek izmantots diagnostikā un kā augstas jaudas mikroviļņu transmisijas logs plazmas stabilizēšanai) un špinelī, kas ir daudz sološi kandidāti izmantošanai diagnostikā un optiskajos logos. Savukārt otrs projekts ir veltīts dimanta logu un ar tiem saistītu dielektrisko materiālu izstrādei DEMO reaktoram. Pašlaik A. Popovs vada starptautisku zinātnieku grupu no Karlsrūes Tehnoloģiju institūta, Varšavas Tehniskās universitātes un Beļģijas pētniecības reaktora, lai izpētītu dielektrisko un optisko logu radiācijas izturību, izmantojot materiālus uz dimanta un perovskītu oksīdu bāzes.
Šobrīd veiksmīgākā ENR projektu iegūšanā ir LU CFI Pašorganizēto sistēmu kinētikas laboratorija, kuras zinātnieki trīs reizes pēc kārtas ir uzvarējuši šo projektu konkursos. Protams, jebkura projekta īstenoša nai ir nepieciešama spēcīga domubiedru komanda, kurā iekļauti augstākās raudzes eksperti (J. Kotomins (h-indekss = 55); A. Popovs (h-indekss = 44); V. Kuzovkovs (h-indekss = 24); D. Grjaznovs (h-indekss = 21)), kuri spēj to realizēt, īpaši, ja runa ir par lieliem starptautiskiem projektiem. Atkarībā no nepieciešamās kompetences darba gaitā var tikt piesaistīti arī citu laboratoriju speciālisti. Ļoti svarīga ir aktīva sadarbība starp eksperimentētājiem un teorētiķiem.
Lielapjoma datorizētai modelēšanai laboratorijas zinātnieki izmanto gan institūta lokālo klasteri, gan Eiropas superdatorus Itālijā un Vācijā. Piekļuvi šīm iespējām nodrošina dalība EUROfusion konsorcijā. Projekta mērķu izpildei svarīga ir arī vietējā infrastruktūra un iespējas. LU CFI rīcībā, pateicoties nesen noslēgtajam 8 gadu Eiropas Komisijas Teaming projektam CAMART2, ir viss nepieciešamais modernais pētniecisko un tehnoloģisko iekārtu aprīkojums, tai skaitā arī 650m2 4-8 ISO klasifikācijas tīrtelpas, lai īstenotu pat visambiciozākos un izaicinošākos uzdevumus.
Savukārt, runājot par izmaksām, šobrīd ir pieejami tikai ļoti aptuveni novērtējumi, arī Klimata un enerģētikas ministrijas dokumentā figurē potenciālās izmaksas un salīdzinājumi. Pētījumā, kas tika veikts pēc Lielbritānijas Parlamenta Zinātnes un tehnoloģiju biroja pasūtījuma, norādīts, ka elektroenerģijas ražošanas pašizmaksa, izmantojot kodoltermisko reaktoru, visticamāk, būs tradicionālo enerģijas avotu izmaksu augšējā diapazonā. Ļoti daudz kas būs atkarīgs no nākotnē pieejamajām tehnoloģijām, tirgus struktūras un regulējuma. Elektroenerģijas cena tieši būs atkarīga no reaktora izmantošanas efektivitātes, tā ekspluatācijas ilguma, kā arī no reaktora utilizācijas izmaksām. Kodoltermiskā enerģija ir ne tikai zinātnisks izaicinājums, bet arī iespēja pārvērtēt mūsu enerģētikas ainavu.
Šī gada 21. maijā notika kārtējā starptautiskā konference “Kodolenerģija Latvijai 2025”, kur darba kārtības pamatjautājums bija par klasisko kodolelektrostaciju, tai skaitā mazas jaudas (300 MW) modulāro kodolreaktoru (SMR) attīstību. SMR izbūve kopā ar Igaunijas privāto kompāniju “Fermi Energia” Latvijai varētu būt piemērots stratēģisks risinājums enerģijas bilances nodrošināšanai. Šajās ikgadējās konferencēs aktīvi piedalās arī LU CFI zinātnieki, informējot tās dalībniekus par progresu termiskās kodolsintēzes problēmās un izaicinājumos.
Nobeiguma vietā
Godinot Latvijas zinātnieku ieguldījumu kodolener ģijas izpētē, Latvijas Banka 2024. gada 26. septembrī emitēja dizainera Germana Ermiča speciāli izstrādātu “Enerģijas monētu” (Energy Coin). Šī monēta tika uzdāvināta arī Fusion for Energy direktoram Marc Lachaise un ITER International Organization ģenerāldirektoram Pietro Barabaschi.