Linkovi

Fuzioni reaktori: trka za novu energiju


The Tokamak complex is pictured at the construction site of the ITER ( the International Thermonuclear Experimental Reactor), in the CEN of Cadarache, in Saint-Paul-Lez-Durance, southern France, Wednesday, Dec. 13, 2017.

Najveći svjetski projekt nuklearne fuzije, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ušao je nedavno u petogodišnju fazu montaže u Saint Paul-lez-Duranceu, u južnoj francuskoj regiji Provansa. Kada bude dovršeno, objekt vrijedan više miliona nastojaće pokazati da je spajanje vodikovih jezgara za stvaranje helija – isti postupak koji zagrijava Sunce i aktivira vodikove bombe - održiv način proizvodnje električne energije. 

ITER, međutim, nije jedini projekat u kojem se pokušava eksperimentalno dobiti energija iz procesa nuklearne fuzije: na kampusu L'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Federalni tehnički univerzitet) u Švicarskoj, nalazi se fuzioni reaktor nazvan TCV (prema franc. Tokamak à configuration variable – tokamak varijabilne konfiguracije), u okviru Swiss Plasma Centre (SPC, Švicarski centar za plazmu).

ITER i TCV su dva od sedam fuzionih reaktora u Evropi – ostali su JET (Joint European Torus), smješten u Ujedinjenom Kraljevstvu, ASDEX, PSI-2 i Wendelstein 7-X u Njemačkoj te Pilot-PSI/Magnum PSI u Danskoj. U Japanu se gradi reaktor JT-60SA, dok u SAD postoji National Ignition Facility, koji se također bavi eksperimentima na polju dobijanja energije fuzijom. Pri Institutu za fiziku i tehnologiju u Harkovu, Ukrajina, također se rade istraživanja fuzionih reaktora.

Za laike, TCV ne izgleda posebno spektakularno, nije fotogeničan kao CERN-om CMS detektor, niti mistično opasan kao fisioni reaktor u Černobilu. Nisu svi fuzioni reaktori tako veliki kao ITER, ali, glavna uloga im je eksperimentalno pokazati da je koncept dobijanja energije putem nuklearne fuzije moguć te poboljšati ovu reakciju da je cijena funkcionisanja reaktora manja nego energija potrebna za njegov rad.

Sam TCV, građen po principu tokamaka. ima visinu nešto manje od jednog metra, a širina mu je četvrt metra. Kako ima oblik šuplje krofne, torusa, tako ova sprava i ostali fuzioni reaktori koji rade po sličnom dizajnu, imaju vanjski i unutrašnji promjer. Vanjski promjer TCV-a iznosi 0.88 m. Kada se na to doda niz druge opreme, opet ne djeluje impresivno neizvježbanom oku, ali zapravo je iznimno važan i kompleksno lijep uređaj. Čak ni ITER, također toakamak, nije glomazan – njegov vanjski promjer je 6.2 m. Ako u budućnosti budemo imali ovakve reaktore, radiće se o relativnom nevelikim reaktorima, koji neće tražiti puno zemljišta za smještaj, kao današnji centrale za proizvodnju električne energije.

Drugi tip fuzionih reaktorea je građen po principu stelaratora, kakav je njemački Wendelstein-7-X.

Šta je to nuklearna fuzija?

Iza svih reaktora ovih kriptičnih naziva krije se, nadamo se, svijetla budućnost ljudskog roda i planete Zemlje. Radi se o eksperimentalnim reaktorima pomoću kojih se nastoji dobiti energija pomoću reakcije nuklearne fuzije, baš kao što se to dešava u zvijezdama, primjerice našem Suncu. Za razliku od fisije, dobijanje energije fuzijom se temelji ne na razbijanju atomskih jezgara težih elemenata, nego na spajanju jezgara lakših elemenata. Još preciznije – u obje reakcije se radi o izotopima određenih elemenata, varijantama atoma tih elemenata sa većom atomskom masom usljed većeg broja čestica zvanih neutroni u jezgri atoma.

I, dok su izotopi radioaktivnih elemenata nestabilni te nakon reakcije fisije za sobom ostavljaju niz nusprodukata koji su također radioaktivnih i treba dosta vremena da se pretvore u nešto što je stabilno, prednost fuzije bi bila u tome što nema ovakvog radioaktivnog otpada. Ono što nastane nakon fuzije bio bi helijum koji ne bi bio štetan za okolinu, a možda bi se i mogao iskoristiti za nešto drugo.

Fuzioni reaktori koriste izotope vodike – deuterij i tricijum – kao gorivo, jer ovi izotopi reaguju lakše od samog vodika. Međutim, da bi se dobila energija fuzijom, ove izotope je potrebno zagrijati na veoma visoke temperature od čak 100 miliona stepeni celzijusa, kako bi plin prešao u stanje plazme.

Reakcija deuterija i tricija se pokazala najefikasnijom na relativno „niskoj“ temperaturi, koja ipak iznosi između 100 i 150 miliona stepeni celzijusa. Nekada davno, postojale su i hipoteze o mogućnosti tzv. „hladne fuzije“, koja bi se odvijala praktično na sobnoj temperaturi, međutim, ovakav poduhvat i reakcija su nemogući te priče oko hladne fuzije spadaju u domen pseudonauke. Eksperiment iz 1989. koji je začetak ovakvog razmišljanja drugi naučnici nisu mogli ponoviti i koncept je napušten, osim u pseudonaučnim diskusijama.

Plazma je jedno od fundamentalnih stanja materije, uz nama dobro poznata stanja tečno, čvrsto i plinovito, a nastaje kada se uklone elektroni iz elektronskog omotača atoma. To je zapravo stanje slobodnih elektrona i jezgara atoma nekog elementa tj. izotopa.

Tehnički, energija nuklearne fuzije ne spada u obnovljive izvore energije, ali ima mnogo korisnih strana. Prije svega, ako se jednom postigne efikasan fuzioni reaktor, to bi bio dugoročan izvor energije, a u isto vrijeme i izvor koji ne proizvodi emisije stakleničkih plinova.

Premda je izotop vodika tricij radioaktivan, treba imati na umu da bi ga u reaktorima bila malo, a vrijeme poluraspada mu iznosi oko 12 godina. Rizik radijacije u fuzionim reaktorima je iznimno mali i svodi se samo na postojanje određene količine tricija, dok su nusprodukti fuzije bezbjedni i nije potrebno posebno odlagalište za njih.

Čarolija „nedostajuće mase“

Zapravo, nuklearna fuzija je fizička reakcija koja još jednom potvrđuje ispravnost Einsteinove dobro poznate formule. Kada jezgre tricija i deuterija sudare, nakon što su oslobođene „okova“ elektrona i dovedene u stanje plazme, nastaje jezgro helijuma.

Međutim, jezgro helijuma sa neutronom ima nešto manju masu nego što je zbir masa originalnog deuterija i tricija. Jednostavno, dio mase je negdje drugdje i upravo ta „nedostajuća masa“ je osnova čarolije nuklearne fuzije. Prema Einsteinovoj jednačini E=mc2, ova masa daje energiju i to istu onu energiju koju proizvode zvijezde.

Praktično, stvaranje fuzionog reaktora na Zemlji bi značilo da imamo „mini-zvijezdu“ na tlu.

Problemi fuzionih reaktora

No, nije dovoljno samo dobiti plazmu – potrebno ju je održati stabilnom što je moguće duže vremena na visokoj temperaturi i to predstavlja tek jedan od problema u konstrukciju fuzionih reaktora. Plazma može formirati „mjehure“ koji su opasni po reakciju i po uređaj u kojem se nalazi, a proizvodnja i držanje plazme stabilnom zahtijeva veliku energiju. Tehnički, radi se o tome da se jako puno energije treba uložiti kako bi se dobila energija nuklearne fuzije.

Sve dok bilans uložene i dobijene energije ne bude pozitivan, komercijalni fuzioni reaktori neće biti ostvarivi. Zapravo, trenutni eksperimentalni fuzioni reaktori pokušavaju doći do te tačke i modulirati plazmu, držati je stabilnom što je duže moguće.

Također, premda se izotop deuterijum može dobiti iz morske vode, tricijum je problematičan resurs jer ga u prirodi nema mnogo i treba ga umjetno stvoriti.

Idući problem sa fuzionim reaktorima je i šta uraditi sa neutronima koji se oslobode u toku reakcije sudara izotopa vodika tricija i deuterija. Pa ipak, i pored ovih problema, naučnici su uporni da konstruiraju reaktor za „struju budućnosti“.

EUROfusion: konzorcij za budućnost energije

Jasno je da je razvoj i izgradnja funkcionalnog, održivog fuzionog reaktora projekat koji predstavlja veliki ekonomski pritisak na naučne institucije i države te on u Evropi odvija u sklopu koncorcija EUROfusion.

Konzorcij okuplja sve nacionalne institute locirane u Evropskoj uniji, Švicarskoj i Ukrajini, a sporazum o osnivanju EUROfusion potpisalo je 30 istraživačkih organizacija i to njih 26 iz zemlja EU te Švicarske i Ukrajine. Od ex-Yu zemalja, u konzorcijumu su Institut Ruđer Bošković iz Hrvatske te Institut Jožef Stefan iz Slovenije.

EUROfusion se trenutno finansira iz Horizon2020 programa.

Eksperimentalni fuzioni reaktori: TCV, JET, ITER i DEMO

Sve što se dešava u EUROfusion zapravo je uvertira za izgradnju demonstracionog fuzionog postrojenja zvenog DEMO (DEMOnstrational Power Station), postrojenja koje bi trebalo biti nasljednik eksperimentalnog reaktora ITER.

ITER (latinski „put“) je možda i najpoznatiji pokušaj stvaranja eksperimentalnog fuzionog reaktora, poznatiji od švicarskog TCV i britanskog JET, ali svakako nasljednik i jednog i drugog, samo nešto veći. Smješten je na jugu Francuske, u blizini Marseja, a obuhvata čak 35 zemalja koje sarađuju u izgradnji ovog reaktora po principu tokamaka. Tokamak, je, inače naziv za jedan oblik dizajna kontejnera fuzionog reaktora, u kojem se nalazi vrela plazma, a ima oblik onoga što naučnici zovu torus, dok je za običan svijet to „oblik krofne“ – i to one prave američke krofne s rupom u sredini.

U izgradnju ITERA uključene su i zemlje mimo EUROfusion, odnosno, ovaj konzorcij je samo dio ITER-a. Osim EU, u ITER-u učestvuju i Kina, Indija, Japan, Koreja, Rusija i SAD. Cilj ITER-a je proizvesti snagu iz fuzije od 500 megavata (MW). Poređenja radi, TE „Tuzla“ ima instaliranu snagu od oko 700 MW.

Cilj ovog titanskog poduhvata je da se dobije mnogo više snage i električne energije od onoga što je uloženo. Rekord trenutno drži JET (Joint European Torus), smješten blizu mjesta Culham u okrugu Oxfordshire u Engleskoj, koji je trenutno ujedino i najveći operativan fuzioni reaktor. Uz uloženih 24 MW snage, JET je imao snagu od 16 MW. Cilj postavljen pred ITER, koji se tek gradi, jeste da iz input od 50 MW stvori snagu od 500MW.

Ako se ovo dogodi, idući korak je spomenuti DEMO, koji bi na input od 80MW trebao dati output od 2000MW. Sam DEMO se smatra prelaznim korakom do komercijalnog fuzionog reaktora. Naučnici iz ove oblasti se nadaju kako bi ITER bio funkcionalan već 2025. godine, a DEMO 2033. No, sa različitim opstrukcijama u finansiranju, problemima koji nisu zaobišli ITER, pandemijom, ovo ne mora biti vjerovatni scenario. Također, neki se boje i utjecaja Brexita na JET kao projekat EU dok se drugi nadaju kako postoje jaki mehanizmi da se ovo spriječi te da će UK biti povezana s EUROfusion na fer način, što se već događa sa švicarskim fuzionim projektima.

XS
SM
MD
LG