Nuklearna fuzija više nije izvor energije iz snova

Povezane objave

• Hiljade neotkrivenih vrsta sisara mogle bi biti skrivene van našeg pogleda 13/04
• Kako kockarnice podstiču igrače? 03/12
• Automobil brži od metka 19/10

Fuzija – spajanje atomskih jezgara u cilju oslobađanja energije, čist je i bezbedan način za napajanje naših domova i industrije električnom strujom. Ovaj sveti gral energije je izmicao fizičarima decenijama, ali postoje znaci da bi svetla budućnost mogla da se pomalja na horizontu.

Zaista zvuči kao san: praktično neograničen izvor energije koji ne proizvodi gasove staklene bašte ili radioaktivni otpad. Upravo to obećava nuklearna fuzija, koja decenijama nije bila ništa drugo do fantazija zbog nepremostivih tehničkih izazova. Međutim, stvari se zahuktavaju u okviru onoga što se pretvorilo u trku da se stvori nešto poput veštačkog Sunca ovde na Zemlji, nešto što može da obezbedi električnu energiju za naše kotlove, automobile i sijalice.

Današnje nuklearne elektrane stvaraju električnu energiju uz pomoć procesa nuklearne fisije, koja podrazumeva cepanje atoma. Nuklearna fuzija, s druge strane, uključuje spajanje atomskih jezgara u cilju oslobađanje energije. To je ista reakcija koja se dešava u jezgru Sunca. Ipak prevazilaženje prirodnog odbijanja između atomskih jezgara i održavanje odgovarajućih uslova za fuziju nije nimalo jednostavno. Proizvodnja energije u većem obimu nego što se troši tokom reakcije, nešto je što je decenijama bilo van domašaja najboljih svetskih umova u domenu fizike.

Ali možda ne zadugo. Neki veliki tehnički izazovi su prevaziđeni u poslednjih nekoliko godina i vlade širom sveta ulažu novac u istraživanje fuzione energije. Takođe postoji preko 20 privatnih poduhvata u Velikoj Britaniji, SAD, Evropi, Kini i Australiji, koji se takmiče ne bi li bili prvi koji će proizvodnju fuzione energije pretvoriti u realnost.

„Ljudi kažu: ‘Ako je to zaista krajnje rešenje, hajde da saznamo da li funkcioniše ili ne’,” kaže dr Tim Lus, šef naučnog departmana u Međunarodnom termonuklearnom eksperimentalnom reaktoru (ITER), koji se gradi na jugoistoku Francuske. ITER je najveće „bacanje fuzionih kockica“ do sada.

Troškove izgradnje od 22 milijarde dolara snose vlade dve trećine svetske populacije, uključujući EU, SAD, Kinu i Rusiju, a kada bude pokrenut 2025. biće najveći na svetu fuzioni reaktor. Ako uspe, ITER će transformisati fuziju kao energetski izvor iz snova u održivu soluciju.

Izgradnja reaktora nuklearne fuzije

ITER će biti tokamak reaktor, što se smatra najvalidnijom opcijom za dobijanje energije iz fuzije. Unutar tokamaka, gas, često izotop vodonika poznat pod nazivom deuterijum, podvrgava se intenzivnoj toploti i pritisku, terajući elektrone iz atoma. Ovo stvara plazmu, pregrejani, jonizovani gas, koji mora da bude zadržan snažnim magnetnim poljima.

Zaštita je od vitalnog značaja, jer nijedan materijal na Zemlji ne može da izdrži tako intenzivnu toplotu (100.000.000 °C i više) koju plazma mora da dostigne da bi fuzija mogla da počne. To je blizu gotovo 10 puta većoj toploti nego onoj u Sunčevom jezgru, a takve temperature su neophodne u tokamaku, jer se gravitacioni pritisak unutar Sunca ne može rekonstruisati.

Kada atomska jezgra počnu da se spajaju, oslobađaju se ogromne količine energije. Dok eksperimentalni reaktori koji trenutno rade oslobađaju tu energiju kao toplotu, u elektrani fuzionog reaktora, toplota bi se koristila za proizvodnju pare, koja bi pokretala turbine za proizvodnju električne energije.

Tokamaci nisu jedini fuzioni reaktori koji se isprobavaju. Drugi tip reaktora koristi lasere za zagrevanje i kompresiju vodoničnog goriva da bi pokrenuo fuziju. U avgustu 2021., jedan takav uređaj u Nacionalnom postrojenju za paljenje, u okviru Nacionalne laboratorije Lorens Livermor u Kaliforniji, proizveo je 1,35 megadžula energije. Ova rekordna cifra dovodi snagu fuzije korak bliže neto dobitku energije, ali veći deo nada se i dalje polaže na tokamak reaktore, a ne na lasere.

U junu 2021, kineski eksperimentalni, napredni superprovodni tokamak (EAST) reaktor je održavao plazmu 101 sekundu na 120.000.000 °C. Pre toga, rekord je bio 20 sekundi. Na kraju, fuzioni reaktor bi morao da održava plazmu neograničeno – ili barem tokom osmočasovnih „impulsa“ u periodima najveće potražnje za električnom energijom.

Prava promena igre za tokamake su magneti koji se koriste za proizvodnju magnetnog polja. „Znamo kako da napravimo magnete koji generišu veoma snažno magnetno polje od bakra ili drugih vrsta metala, ali bi platili čitavo bogatstvo za struju. U tom slučaju ne bismo imali neto energetski dobitak“, kaže Lus.

Rešenje je da se koriste visokotemperaturni, superprovodljivi magneti napravljeni od superprovodne žice, ili „trake“, koja nema električni otpor. Ovi magneti mogu stvoriti intenzivna magnetna polja i ne gube energiju u vidu toplote.

„Superprovodljivost pri visokim temperaturama poznata je već oko 35 godina. Međutim, proizvodna sposobnost za proizvodnju trake u dužinama koje bi bile potrebne da bi se napravio razuman fuzioni kalem razvijena je tek nedavno“, kaže Lus. Jedan od magneta ITER-a, centralni solenoid, proizvodiće polje od 13 tesla – 280.000 puta više od Zemljinog magnetnog polja.

Unutrašnji zidovi ITER-ove vakuumske posude, gde će doći do fuzije, biće obloženi berilijumom, metalom koji neće mnogo kontaminirati plazmu ako dođe do međusobnog dodirivanja. Na dnu je divertor koji će držati temperaturu unutar reaktora pod kontrolom.

„Toplotno opterećenje na divertoru može biti veliko kao u raketnoj mlaznici“, kaže Lus. „Raketne mlaznice rade jer možete ući u orbitu za nekoliko minuta, a u svemiru je zaista hladno. U fuzionom reaktoru, divertor bi morao da izdrži ovu toplotu neograničeno, a na ITER-u će testirati onaj napravljen od volframa.

U međuvremenu, u SAD, Nacionalni eksperimentalni fuzioni reaktor sa sfernim torusom – Upgrade (NSTKS-U), biće pušten u rad u jesen 2022. Jedan od njegovih prioriteta biće da se vidi da li oblaganje reaktora litijumom pomaže da se plazma održi stabilnom .

Izbor goriva

Umesto da samo koristi deuterijum kao gorivo za fuziju, ITER će koristiti deuterijum pomešan s tricijumom, drugim izotopom vodonika. Mešavina deuterijum-tricijuma nudi najbolje šanse da se dobije znatno više energije nego što je uloženo. Zagovornici dobijanja energije iz nuklearne fuzije kažu da je jedan od razloga što je ova tehnologija bezbedna taj što gorivo treba stalno da se unosi u reaktor da bi se fuzija odvijala, što nekontrolisanu reakciju čini nemogućom.

Deuterijum se može izdvojiti iz morske vode, tako da postoji praktično neograničene zalihe. S druge strane, smatra se da samo 20 kilograma tricijuma postoji širom sveta, tako da će fuzione elektrane morati da ga proizvode (ITER će razviti tehnologiju za „uzgajanje“ tricijuma). Mada će se deo radioaktivnog otpada proizvoditi u postrojenju za fuziju, on će imati životni vek od oko 100 godina, a ne hiljade godina kao što je slučaj kod fisije.

Istraživači u fuzionom reaktoru Joint European Torus (JET) u Oksfordširu, trebalo je da u septembru započnu svoje fuzione reakcije deuterijum-tricijumom. „JET će pomoći ITER-u da pripremi izbor mašinskih parametara za optimizaciju snage fuzije“, kaže dr Žoel Majlu, jedna od vođa naučnih programa u JET-u. Ovi parametri će uključivati pronalaženje najbolje kombinacije deuterijuma i tricijuma i utvrditi kako se struja povećava u magnetima pre nego što fuzija počne.

Temelji postavljeni u JET-u trebalo bi da ubrzaju napore ITER-a da ostvari neto energetski dobitak. ITER će proizvesti „prvu plazmu“ u decembru 2025. i biće podignut na punu snagu tokom naredne decenije. Njegova temperatura plazme će dostići 150.000.000 °C, a cilj mu je da proizvede 500 megavata električne energije iz fuzije na svakih 50 megavata ulazne energije.

„Ako ITER bude uspešan, eliminisaće većinu, ako ne i sve, sumnje u nauku i osloboditi novac za razvoj tehnologije“, kaže Lus. Taj razvoj tehnologije biće demonstraciona fuziona elektrana koja zapravo proizvodi električnu energiju. „ITER otvara vrata i kaže, da, ovo funkcioniše, nauka je tu.“