Foto: YouTube/Nature Comm.
Fizičari već više od pola stoljeća sanjaju o komercijalno isplativoj fuziji koja za razliku od fisije ne bi zagađivala okoliš radioaktivnim materijalima, a imala bi jeftine i gotovo neiscrpne izvore goriva – morsku vodu. No za razliku od fisije, koja se već odavno koristi u stotinama nuklearki širom svijeta, fuzija je tehnološki mnogo zahtjevnija. Problem je u tome što se proces fuzije, odnosno sjedinjavanja atoma, pokreće tek pri golemim tlakovima i temperaturama kakve vladaju u aktivnim zvijezdama kao što je naše Sunce.
Zbog takve tehnološke zahtjevnosti ostvarenje fuzijskog sna oduvijek se, iznova i iznova, čini kao nešto na što će trebati pričekati još par desetljeća.
Stara ideja, nova nada
No Nijemci su prošle godine objavili senzacionalnu vijest da je prva faza testiranja njihovog eksperimentalnog reaktora Wendelstein 7-X, čija je konstrukcija koštala oko 370 milijuna eura, a trajala desetak godina, bila uspješna. U reaktoru su tada uspjeli stvorili vruću plazmu sličnu onoj u kojoj bi se trebao pokrenuti proces fuzije.
U novom eksperimentu potvrdili su uspješnost druge faze testiranja. O čemu je riječ?
Tim iz Max Plancka objavio je rad u časopisu Nature Communications prema kojem W7-X stvara točno onakva super-moćna, vijugava trodimenzionalna magnetska polja kakva su bila predviđena projektom – pokazalo se da su razine pogreške manje od 1 na 100.000, što je dovoljno za komercijalnu primjenu tog modela reaktora.
„Koliko znamo to je točnost bez presedana, kako u smislu inženjerske konstrukcije fuzijskog uređaja, tako i u smislu mjerenja magnetske topologije“, pišu u izviješću autori.
Zašto je to vrlo važna vijest? Preciznost magnetskih polja u reaktoru ključna je za fuziju jer ona imaju funkciju da užarenu plazmu pod golemim tlakom drže na sigurnoj udaljenosti od stjenki uređaja. Naime, vreli materijali, zagrijani na temperature od preko 100 milijuna stupnjeva Celzijusovih, ne smiju dodirnuti stjenke kako ih ne bi oštetili ili čak probili.
Ovaj tehnološki zahtjevan problem znanstvenici pokušavaju riješiti na dva temeljna načina koji se bitno razlikuju po dizajnu – jedan model naziva se tokamak, a drugi stelarator po zvijezdama u kojima se fuzija prirodno odvija.
W7-X je najnapredniji model fuzijskog reaktora tipa stelaratora koji su bili popularni sredinom 20. stoljeća. Nažalost, njihova je popularnost brzo jenjala jer su imali problema s kontroliranjem goriva pa su ih istisnuli tokamaci koji su se nastavili razvijati sve do danas. Prema modelu tokamaka trenutno se u Francuskoj gradi najveći međunarodni fuzijski reaktor na svijetu ITER.
Međutim, stelaratori posljednjih godina doživljavaju veliki 'come back' jer su stručnjaci zahvaljujući razvoju superračunala uspjeli riješiti ključne probleme u njihovom dizajnu.
Oni su također ponovno postali zanimljivi jer imaju nekoliko važnih prednosti pred tokamakom – prije svega trebali bi moći kontinuirano, bez prekida, održavati plazmu u stanju potrebnom za fuziju što znači da bi trebali imati mnogo veću efikasnost od tokamaka koji to mogu ostvariti u relativno kratkim intervalima. Stelaratori bi se također mogli konstruirati tako da budu manji i jeftiniji pa bi trebali biti komercijalno zanimljiviji za lokalnu proizvodnju energije.
Kako se u fuziji stvara energija?
Nuklearna energija temelji se na tzv. snažnoj sili koja povezuje protone i neutrone u jezgri atoma. Ona djeluje na vrlo malenim udaljenostima za razliku od elektromagnetske sile koja je temelj kemijske energije koja nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva. U kemijskoj se kroz vezivanje atoma i oslobađanje tih veza, odnosno kroz dijeljenje elektrona i prekid toga dijeljenja, pohranjuje i oslobađa elektromagnetska energija. U fuziji se, jednostavno govoreći, jezgre moraju dovoljno približiti da bi jaka sila počela djelovati, odnosno da bi se protoni i neutroni sjedinili u novi, veći atom. Pritom treba savladati sile među protonima koji se odbijaju jer imaju isti, pozitivan naboj. Elektroni su već prije izbačeni sa svojih pozicija u procesu stvaranja plazme. Kada se dva atoma nekih lakših plinova (uglavnom izotopa vodika deuterija i tricija koji se dobivaju iz morske vode) konačno spoje u teži atom helija, masa težeg bit će nešto manja od zbroja masa lakših. Ta razlika oslobađa se kao energija prema Einsteinovoj formuli E = mc2. U procesu fuzije dva atoma vodika 0,7% mase oslobađa se u obliku dvaju energija – kinetičke energije alfa čestica (2 protona i 2 neutrona) te energije zračenja.
Energija oslobođena u većini nuklearnih reakcija mnogo je veća od energije kemijskih reakcija koje se temelje na vezama elektrona. To je posljedica činjenice da je energija koja veže nukleone (protone i neutrone) zajedno u jezgri redovima veličina veća od energije koja veže elektrone oko jezgre atoma. Primjerice, energija dobivena dodavanjem elektrona jezgri atoma vodika je 13,6 eV, što je manje od milijuntog dijela od 17 MeV energije koja se oslobađa u uobičajenoj fuziji deuterija s tricijem.
Fuzija, da bi postala komercijalno isplativa, mora osigurati da će količina energije stvorena u njoj značajno premašivati energiju utrošenu na održavanje fuzije, prije svega na zagrijavanje plazme. To do danas nije uspio postići niti jedan reaktor. No očekuje se da će ITER, koji bi trebao biti dovršen do 2019., proizvoditi 500 megavata izlazne snage sa 50 megavata ulazne, odnosno da će proizvoditi 10 puta više energije nego što će trošiti.
Koja je razlika između tokamaka i stelaratora?
Kao što smo već rekli tokamaci mogu kontrolirati plazmu samo u kratkim intervalima koji za sada ne traju duže od sedam minuta. Osim toga energija koja se ulaže u stvaranje vruće plazme u tokamaku još uvijek je veća od one koja se oslobađa za relativno kratkih periodičnih fuzijskih reakcija. Za razliku od njih, W7-X trebao bi s lakoćom moći održavati plazmu na okupu više od 30 minuta, što znači da bi proizvodio više energije.
Zašto je fuziju teško održati za duže vrijeme? Jedan od ključnih problema fuzijskog reaktora je njegov oblik kružne cijevi. Zavojnica koja je omotana oko torusa kako bi u njemu stvarala magnetsko polje nije jednoliko raspoređena – gušća je s njegove unutrašnje strane, a rjeđa s vanjske, što znači da magnetno polje koje zbija plazmu i drži je na udaljenosti od stijenki, stvara jače sile na unutarnjem nego na vanjskom dijelu reaktora. Zbog takvog rasporeda sila, čestice plazme mogu skrenuti i pobjeći ako na njih ne djeluju dodatna magnetna polja. U tokamacima taj se problem rješava induciranjem dodatnih polja u samoj plazmi posebnim sustavom magneta. No tako inducirana polja teško je kontrolirati pa tokamak radi sa stalnim prekidima. U tokamaku ITER-a planira se postići kontinuirana fuzija u trajanju od 50 minuta.
Stelarator ovaj problem rješava na drugačiji način – neobičnom geometrijom torusa čiji se presjek stalno mijenja, baš kao i raspodjela zavojnice. Geometrija cijelog sustava uređena je vrlo preciznim izračunima superračunala, a omogućava da se svaka čestica u plazmi kreće putanjama na kojima kontinuirano osjeća jednaku silu. Stelarator stoga treba samo jedno magnetno polje, a umjesto da radi u kratkim intervalima, može raditi kontinuirano.
Iz svega navedenog proizlazi da bi stelaratori u skoroj budućnosti mogli preuzeti primat od tokamaka, možda čak i prije nego što ITER bude dovršen.
Kako je provedeno novo testiranje?
U novom eksperimentu znanstvenici iz Max Plancka i iz Američkog ministarstva energetike poslali su elektronskim pištoljem zraku elektrona duž magnetskih polja u torusu stelaratora. Krećući se duž silnica magnetskog polja kroz ubrizgani plin elektroni su u sudarima s atomima plina izazvali pobuđenje koje se manifestiralo kao svjetlosna mreža. Rezultat predstavlja upravo onakva polja kakva su bila planirana dizajnom uređaja.
Planovi za budućnost
Iako je uspješno prošao prva dva ključna testa, W7-X zapravo nije konstruiran za komercijalnu upotrebu. On ima funkciju pokusnog bolida koji treba pokazati da stelerator može raditi. U 2019. godini W7-X će po prvi put početi koristiti deuterij umjesto vodika kako bi stvarno pokrenuo fuziju. No ni tada još neće moći stvarati više energije nego što će je trošiti. To je zadatak koji bi trebela ostvariti tek sljedeća generacija stelaratora. Stručnjaci smatraju da je u sadašnjem trenutku najuzbudljivija činjenica da se W7-X uključio u utrku s ITER-om.