Elementų transformacija: nuo alchemijos iki šiuolaikinės branduolinės sintezės

Elementų transformacija: nuo alchemijos iki šiuolaikinės sintezės mokslo

Šimtmečiais galimybė paversti įprastus cheminius elementus auksu jaudino alchemikų vaizduotę, įkvėpė legendas ir daugybę mokslinių bandymų. Šiandien, modernių technologijų laikais, ši svajonė išlieka gyva – tik dabar ji remiasi branduoline fizika, o ne mistika.

Pagrindinis mokslinis principas, leidžiantis paversti vieną elementą kitu, vadinamas branduoline transmutacija; šiandien jis yra gerai suprantamas ir patvirtintas. Dalelių greitintuvai ir didelės energijos dalelių susidūrimų įrenginiai, tokie kaip garsusis Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) CERN laboratorijoje Ženevoje, nuolat susiduria atomus, kartais sukurdami naujus elementus – tarp jų net ir auksą. Visgi šie metodai dabartinėje branduolinės transmutacijos technologijoje yra ypač neefektyvūs auksui gaminti. Pavyzdžiui, ALICE eksperimentas CERN sugebėjo per ketverius metus gauti vos 29 pikogramus (trilijonąją gramo dalį) aukso, kas akivaizdžiai rodo neefektyvumą siekiant didelio masto gamybos atominėmis kolizijomis.

Revoliucinis pasiūlymas: aukso kūrimas sintezės reaktoriuose

Čia į sceną žengia Kalifornijos startuolis „Marathon Fusion“, siūlantis iš esmės pakeisti elementų gamybos sampratą, pasitelkiant branduolinę sintezę. Vietoje tradicinių greitintuvų ši įmonė planuoja naudoti galingus neutronų srautus, generuojamus sintezės reaktoriuje, siekdama paversti gyvsidabrį auksu.

Jų metodas remiasi branduoline reakcija: stabili gyvsidabrio-198 izotopo branduoliai apšvitinami aukštos energijos neutronais. Tokios sąveikos metu gyvsidabris-198 virsta nestabiliu gyvsidabrio-197 izotopu, kuris greitai suyra į stabilų aukso-197 izotopą – vienintelį natūraliai gamtoje randamą auksą. Teoriškai, įgyvendinus šį metodą pramoniniu mastu gigavatinės galios sintezės elektrinėje, būtų galima per metus gauti kelias metrinės tonas aukso, prognozuoja įmonės specialistai.

Neutronų transmutacijos mokslas

Marathon Fusion vizijos pagrindas – deuterio ir tričio, vandenilio izotopų, naudojimas kaip branduolinės sintezės kuro. Susijungę šie izotopai plazmos šerdyje išskiria milžinišką energiją ir galingą srautą aukštos energijos neutronų. Neutronai, kurių energija didesnė nei 6 megaelektronvoltai (MeV), būtini inicijuoti branduolinei reakcijai, leidžiančiai paversti gyvsidabrį-198 auksu. Šie neutronai lengvai patenka giliai į medžiagas, užtikrindami efektyvią atominę transformaciją.

Savo technologijų efektyvumą įmonė tikrina naudodama skaitmeninį dvynį – pažangią kompiuterinę simuliaciją, imituojančią sintezės reaktoriaus fiziką, įskaitant neutronų srauto ir radioaktyvių procesų eigą. Vis dėlto, būtina pabrėžti, kad visiškas metodo patvirtinimas realybėje įmanomas tik tada, kai bus sukurti komerciniai sintezės reaktoriai, kurie šiuo metu dar neegzistuoja.

Dabartiniai iššūkiai ir sintezės technologijų raida

Branduolinės sintezės energetika žada didžiulį švarios energijos potencialą, imituojant žvaigždžių energijos gamybos mechanizmus. Tačiau komercinio sintezės reaktoriaus suprojektavimas ir veikimas tebėra vienas sudėtingiausių mokslinių bei inžinerinių iššūkių pasaulyje. Dabartiniai eksperimentiniai reaktoriai, tokie kaip Jungtinės Karalystės „Joint European Torus“ (JET), iki šiol pasiekė tik nedidelius branduolinės sintezės energijos kiekius, atskleisdami įveiktinus techninius barjerus.

Mokslininkai ieško naujų reaktorių konstrukcijų, siekdami išspręsti šias problemas. Pavyzdžiui, Jungtinėje Karalystėje vystomas Sferinis tokamakas energijai gaminti (STEP) gali padėti mažinti sintezės reaktorių dydį ir padidinti jų efektyvumą, pažangiai valdant plazmos išeigą. Tikimasi, kad STEP prototipas bus sukurtas iki 2040-ųjų, teikiant apdairų optimizmą šiai sričiai.

Ekonominė, praktinė ir aplinkosauginė perspektyva

Nors teorinės prognozės leidžia manyti, kad aukso gamyba iš gyvsidabrio sintezės reaktoriuje įmanoma, egzistuoja daug realaus pasaulio apribojimų. Visų pirma, iš tokios transmutacijos gautas auksas būtų iš pradžių radioaktyvus, todėl jam reikalingas sudėtingas tvarkymas, ilgalaikis saugojimas bei specialus valymas — procesai, susiję su griežtais reguliavimo ir technologiniais reikalavimais.

Be to, net ir pažangūs skaitmeniniai modeliai gali neatsižvelgti į visus realias branduolinių, fizinių ar inžinerinių niuansus. Todėl dažnai prireikia ilgų eksperimentinių patvirtinimų, prieš priimant galutines išvadas. Branduolinių bei dalelių fizikų teigimu, pernelyg optimistiškos simuliacijos gali vesti prie klaidingų lūkesčių. Kol nebus sukurti komerciniai branduolinės sintezės reaktoriai ir šios transmutacijos imsis realiu mastu, aukso gamybos iš gyvsidabrio pelningumas ir saugumas išliks teoriniais, o ne praktiniais argumentais.

Vis dėlto ši idėja yra pakankamai patraukli, kad pritrauktų investuotojų dėmesį – ypač tų, kurie domisi branduolinės sintezės energetika ar alternatyviais tauriųjų metalų šaltiniais. Galbūt laukia nauja „Kalifornijos aukso karštligė“, šįkart pagrįsta šiuolaikinėmis sintezės technologijomis – nors tai dar tolima ateities perspektyva.

Išvada

Mintis kurti auksą iš gyvsidabrio, pasitelkiant branduolinę sintezę, atspindi senų svajonių ir pažangios mokslo pažangos sinergiją. Tokios įmonės kaip „Marathon Fusion“ atveria kelius inovatyviems šios technologijos panaudojimams, tačiau dar laukia nemažai techninių, mokslinių ir teisinių kliūčių, kol tokios drąsios idėjos galės būti įgyvendintos. Šiuo metu pramoninės aukso gamybos iš gyvsidabrio galimybė, naudojant sintezės technologijas, išlieka viliojančia, bet dar tik teorine galimybe branduolinės fizikos bei tauriųjų metalų rinkos horizonte.