Неђељко Јекнић

STAV

Nuklearna fuzija može riješiti rastuću glad za energijom

Postoji jedna uobičajena šala vezana za ovu temu i ona kaže da je nuklearna fuzija daleko 30 godina i da će uvijek tako ostati. I zaista, ako pogledamo istoriju ljudskih pokušaja da izvedu ovaj proces, uvijek je djelovalo da je stvar poprilično daleko i da je potrebno još par decenija.

Пише: Види све колумне

Međutim, imamo novosti! Nije više 30 godina, period se smanjio. Na koliko, nije baš jednostavno procijeniti ali neki značajni pomaci su se desili u ovom vijeku. Dobijanje prijeko potrebne energije iz nuklearnih procesa je ideja koja se razvijala u prvoj polovini dvadesetog vijeka, da bi posle drugog svjetskog rata počele da niču prve nuklearne elektrane. U njihovim rekatorima se dešava proces nuklearne fisije, tačnije, jezgro nekog atoma se cijepa na dva manja jezgra i tim procesom se oslobađa energija budući da je manje energije potrebno da se formiraju dva manja jezgra nego jedno veliko jezgro. Zvuči jednostavno, reklo bi se. Kao gorivo, odnosno materijal koji se cijepa, koristi se uranijum ili plutonijum čijim cijepanjem nastaju manja jezgra koja su radioaktivna. Samu radioaktivnost je objasnila i za to otkriće dobila Nobelovu nagradu Marija Kiri sa svojim mužem Pjerom Kirijem 1903. godine. Mala digresija, gospođa Kiri je nekoliko godina kasnije dobila i Nobelovu nagradu za hemiju, što i dan danas predstavlja nevjerovatan poduhvat. Tradiciju donošenja Nobela kući je nastavila i njena ćerka trideset godina kasnije.

Danas, po evidenciji Međunarodne agencije za atomsku energiju u svijetu postoji preko 400 fisionih reaktora za proizvodnju električne energije i oni pokrivaju 10% proizvodnje električne energije na svjetskom nivou. Nuklearne elektrane ne spadaju u obnovljive izvore energije, ali su ekološki prihvatljive. Naravno, Černobilj je i dalje tu da opominje na moguće razmjere katastrofe koja se može desiti. No, osim same bezbjednosti, veliki problem sa fisionim elektranama je i odlaganje radioaktivnog otpada. O ovoj temi već dugo traju polemike i nema naznaka da će se pronaći rešenje koje bi zadovoljilo i ogromnu potrebu za energijom i ekološke standardne skladištenja radioaktivnog otpada.

Nuklearna fuzija, za razliku od fisije zahtijeva mnogo manje goriva. Gorivo za fuziju su izotopi vodonika (deuterijum i tricijum) kojih u prirodi ima „na svakom ćošku“. Sa druge strane gorivo koje koristimo za fisiju (uranijum i plutonijum) nije baš lako dobaviti, a i poprilično je skupo. Takođe, nuklearna fuzija ne proizvodi radioaktivni otpad, jedini nusproizvodi su atomi helijuma, koje kasnije čak možemo i iskoristiti, a ne prosto da ih „bacimo“. Pa zašto onda jednostavno ne pređemo na fuzione reaktore ako su toliko bolji? Zato što je mnogo teže izvesti fuziju (spajanje) atoma u odnosu na fisiju (cijepanje).

Fuzija je proces koji se u prirodi odvija na Suncu, odnosno dešava se konverzija atoma vodonika koji su laki u atome helijama koji su teži i sve to pri ogromnim temperaturama. Kako sve to da se izvede na Zemlji? Mora se postići, kako to mnogi fizičari zovu, četvrto agregatno stanje materije – plazma. Plazma nema baš “opipljivo“ svojstvo kao uobičajena tri agregatna stanja, već je nešto što bi se laički moglo opisati kao pola puta od materije do energije. Plazma vodonika treba da se zagrije na 150 miliona stepeni Celzijusa da bi atomi bili dovoljno pokretljivi i brzi i da bi došlo do fuzije.

Sa kakvim uređajem je moguće izvesti ovakav poduhvat? Opet ćemo se vratiti na period posle drugog svjetskog rata i sovjetske fizičare Igora Jevgenjeviča Tama i Andreja Dmitrijeviča Saharova koji daju prva idejna rešenja tokamaka, mašine za proizvodnju toroidalnog magnetskog polja za razgraničenje plazme. Sam pojam tokamak je skraćenica iz ruskog jezika – toroidalna komora sa magnetizovanim zavojnicama. Na krilima njihovih rešenja, Natan Javlinski 1958. konstruiše prvi funkcionalni tokamak zvani T1. U narednim decenijama, to će postati tehnologija koja će dominantno preuzeti realizaciju ideje nuklearne fuzije, potiskujući ostale koncepte.

Razvoj tokamak reaktora traje već decenijama, ali nepremostivi problem do dana današnjeg je ostala učinkovitost. Sama fuzija je postignuta, ali potrošnja energije pri samom procesu je veća od one koju dobijamo samom fuzijom. U takvim okolnostima, javila se ideja za izgradnjom vjerovatno nasjloženije mašine koju je ljudska ruka ikad napravila - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) predstavlja najveći i najambiciozniji projekat u dosadašnjem razvoju tehnologije naše civilizacije.

Širom svijeta, preko 200 Tokamaka različitih timova je konstruisano, da bi utrli put velikom dogovoru koji se desio 1985. godine u Ženevi. Na prvom sastanku tadašnjih lidera SSSR-a i SAD-a, Mihaila Gorbačova i Ronalda Regana, dogovreno je da zemlje počnu zajednički da rade na razvoju energije fuzije u miroljubive svrhe. Godinu kasnije, pada dogovor između vodeće dvije svjetske sile i Evropske unije i Japana, te 1988. se razvija koncept. Trinaest godina kasnije, članice odobravaju konačan projekat. Kina i Južna Koreja ulaze 2003. a Indija 2005. i najambiciozniji naučni poduhvat na planeti može da počne. 2010. godine, 70-ak kilometara od Marseja u Francuskoj kreće izgradnja i u njoj danas učestvuju timovi iz više od 30 država.

Brojne tokamak mašine širom svijeta su poslednjih godina preorjentisale svoj rad i prilagodile ga ovom zajedničkom projektu. Sada se tesiranja i razvoj tehnologija potrebnih za izgradnju ITER-a dešavaju na različitim mjestima, pa se kompletno znanje i fizička izvedba zatim koncentrišu na mjestu glavnog događaja. To su recimo indijski ADITYA (sinonim za Sunce na Hindu jeziku), američki tokamak Alcator C-Mod, zatim ASDEX na institutu Maks Plank u Njemačkoj, mali tokamak COMPASS u Pragu, američki DIII-D u San Dijegu, italijanski DTT, kineski EAST, ruski Globus-M2, ili još jedan kineski HL-2M.

Doskorašnji „svjetski rekord“ za kontrolisanu fuziju držao je evropski tokamak JET (Joint European Torus) koji je uspio proizvesti 16 MW fuzione energije od 24 MW toplotne energije, sa koeficijentom iskorišćenosti 0.67.
Od ITER-a se očekuje da za 50 MW ulazne toplotne energije proizvede 500 MW fuzione energije u dugim impulsima od 400 do 600 sekundi. No, upravo krajem prošle godine desio se jedan veliki pomak na ovom polju. Metodom inercijalne zatvorene fuzije američki NIF istraživački projekat je postigao dugo čekani cilj – proizveo je 3.15 megadžula energije za utrošenih 2.05 megadžula i postigao koeficijent iskorišćenosti od 1.5, odnosno postao prvi ikad koji je prebacio famozni prag 1. NIF predstavlja najveći i najmoćniji laser na svijetu, koji za razliku od magnetnog zatvaranja (tokamak) vrši usmjereno zagrijavanje na veoma malu sferu koja usled intenzivne energije implodira i oslobađa ogromnu energiju. Sa druge strane, već pomenuti kineski EAST reaktor je prije nekih mjesec dana pomjerio svoj sopstveni rekord, uspjevši da održi stabilno stanje plazme nepunih 7 minuta. Prethodni rekord koji je držao isti reaktor postignut je 2017. godine i iznosio je 101 sekundi. Od tada do aprila ove godine, imali su preko 120 000 pokušaja.

Cilj ITER-a nije da postane nuklearna elektrana koja će ići na električnu mrežu, odnosno neće “uhvatiti” energiju koju proizvede, već, kao i što mu samo ime kaže, eksperimentalno utire put za narednu generaciju reaktora koja će biti namijenjena za to.

Cijela ova megastruktura na jugu Francuske se prostire na 180 hektara i sve je raspoređeno u 39 zgrada. Samo srce, odnosno zgrada tokamaka je sedmospratna građevina koja se nalazi 13 metara ispod nivoa platforme i 60 m iznad nje. Procjenjuje se da je do sada u izgradnji objekta učestvovalo preko 2000 radnika, a još toliko je uključeno u ugradnju svih potrebnih djelova i opreme. Radi se o ugradnji preko milion komponenti, koje imaju preko 10 miliona djelova napravljenih širom ovih 30-ak zemalja. Inženjeri su do sada proizveli i 100 000 kilometara niobijum-tin metalne žice, koja je bila potrebna za pravljenje tako velikih magneta. Struktura centralnog solenoida ITER-a - velikog elektromagneta od 1000 tona u centru mašine mora biti dovoljno jaka da sadrži silu koja je jednaka dvostrukom potisku spejs šatla pri polijetanju.

Već postoji plan i za naredni korak. Posle ITER-a, cijela ova priča će ući u narednu fazu zvanu DEMO. Biće iskorišćeno sve ono što je naučeno i ostavreno kroz prvu tokamak megastrukturu, samo što će kroz DEMO biti ostvaren kontinuirani ili gotovo kontinuirani rad (u stabilnom stanju), za razliku od ITER-a koji će raditi samo u dugim impulsima. No, sam izraz DEMO više predstavlja fazu nego jednu mašinu. Za sada, igradnja DEMO-a se planira 2030-ih, a početak rada 2040-ih. Očekuje se da će se DEMO baviti ulaskom fuzione energije u električnu mrežu. U odnosu na ITER čiji je cilj da proizvede 10 puta više energije od uložene, očekuje se da bi DEMO mogao imati 30 do 50 puta veći odnos ulazne i izlazne energije. Dakle, paralelno sa izradom jedne, u toku je konceptualno planiranje naredne generacije ovih mašina.

Po procjeni samog ITER-a, projekat je na 75% posla od prve plazme, što se očekivalo krajem 2025. godine ali će taj rok usled dvije kovid godine vjerovatno biti pomjeren. Procjene kažu da će biti potrebno oko 20 milijardi eura za izgradnju i operativnost. Procentualno, tokom konstrukcije, Evropa finansira 45.5%, a Kina, Indija, Japan, Koreja, Rusija i SAD po oko 9%. Za operativnu fazu, podjela troškova će ići na 34% od strane Evrope, 13% Japan i SAD, a Kina, Indija, Koreja i Rusija po 10%. Poređenja radi, ovaj višedecenijski i civilizacijski projekat sa svojih dvadesetak milijardi budžeta daleko zaostaje za troškovima rata u Ukrajini koji je za godinu dana sa obje strane progutao skoro 200 milijardi eura. Tek da ne pominjemo godišnje budžete najvećih vojnih sila koji se mjere sa više stotina milijardi eura.

Da su saradnja i zajednički rad mogući i neophodni, čak i u današnjim okolnostima, govori i činjenica da je u februaru ove godine u luku u Marseju uplovio brod sa poloidnim kalemom PF1 koji je igrađen u Rusiji, a dio je ITER projekta. Ovo je bio najsloženiji kalem koji se ugrađuje i širok je preko 10 metara što je otežalo sam pristup od luke do ITER postrojenja – kalem je putovao čak četiri dana. Svakako, cijeli ovaj posao predstavlja jednu od najvećih sinergija čovječanstva, čiji rezultat ne bi mogli očekivati od bilo koje zemlje pojedinačno. Samo zajedničkim doprinosom najvećih i najnaprednijih država se mogu ostavariti ovako značajni pomaci u nauci i tehnologiji od koje će svi imati koristi.

Koliko je tehnologija fuzije superiornija od svih postojećih po pitanju proizvodnje energije, govori i činjenica da je za termoelektranu snage 1000 MW potrebno oko 2.7 miliona tona uglja na godišnjem nivou, dok bi nuklearna fuziona elektrana iste snage na godišnjem nivou trošila 250 kg goriva – deuterijuma i tricijuma. U samoj plazmi, u svakom trenutku bi bilo po par grama goriva, što ovakvu tehnologiju čini nevjerovatno ekonomičnom i bezbjednom. Pitanje energetskih potreba planete je sve ozbiljnije i konstantno se uvećava iz godine u godinu. Djeluje da nuklearna fuzija može riješiti rastuću glad za energijom.