Slovenski raziskovalci razvili napravo, pomembno za razvoj fuzije

Na reaktorju Triga in Odseku za reaktorsko fiziko Instituta Jožef Stefan so zagnali novo eksperimentalno napravo Katana, ki bo bistveno prispevala k razvoju tehnologije jedrske fuzije. Njen namen je študij sevalnih doz okoli vodne hladilne zanke prihodnjih fuzijskih reaktorjev, kot sta Iter, poskusni tokamak, ki ga gradijo na jugu Francije, in Demo, načrtovana fuzijska elektrarna. V razvoj in izdelavo naprave so investirali tri leta dela in skoraj milijon evrov, so pojasnili na IJS. 

»Gre za eno največjih naložb v raziskovalno opremo reaktorja v zadnjih 30 letih. Z njim pa preučujemo del enega največjih izzivov človeštva, to je fuzija. S tem eksperimentom se Slovenija dodatno utrjuje na svetovnem znanstvenem zemljevidu, saj bodo pri tem eksperimentu meritve izvajale številne mednarodne ekipe,« je poudaril prof. dr. Luka Snoj, vodja reaktorja Triga in vodja Odseka za reaktorsko fiziko na IJS. 

Nove eksperimentalna naprava bo bistveno prispevala k razvoju tehnologije jedrske fuzije. FOTO: Saša Senica  

Fuzijski reaktorji, imenovani tokamaki, se hladijo z vodo. »Ko ta voda pride v stik z visokoenergijskimi nevtroni iz plazme reaktorja, lahko povzroči, da kisik v vodi postane radioaktiven. To se zgodi, ko se nevtroni iz plazme absorbirajo v jedrih atomov kisika, kar ustvari radioaktivno obliko dušika. Ta radioaktivni dušik je nestabilen in hitro (v približno minuti) razpade, pri čemer sprosti visoko energijske žarke gama,« je pojasnil Snoj.

»Ti žarki lahko povzročijo sevanje okoli vodnega hladilnega sistema, kar lahko segreje superprevodne tuljave, poškoduje elektroniko in izpostavi ljudi sevanju. To sevanje je eden glavnih virov ionizirajočega sevanja izven biološkega ščita med delovanjem tokamaka. Da bi to bolje razumeli, razvijamo znotraj konzorcija Eurofusiona orodja za simulacijo in izračun ravni sevanja okoli aktivirane vode. Ta orodja pa je potrebno validirati (preveriti) z eksperimenti. Zato smo na reaktorju Triga na IJS v zadnjih treh letih vzpostavili novo napravo, imenovano Katana, za izvajanje poskusov z aktivirano vodo,« je pojasnil. Ime Katana so izbrali zato, ker s tem eksperimentom »režejo« meje med fisijo in fuzijo. Aktivirano vodo bodo v napravo pripeljali iz obstoječega jedrskega reaktorja. 

Ob jedrskem reaktorju. FOTO: Marjan Verč  

Kot je še dodal, bodo poskusi olajšali postopek licenciranja Iterja. »Za Iter je treba dobiti obratovalno dovoljenje. Za to dovoljenje pa je treba prikazati, da bodo sevalne doze nižje od dovoljenih mej. Fuzijski reaktorji, kakršen je Iter, trenutno še ne obstajajo, tako se moramo zanašati na izračune, ti pa temeljijo na metodah, ki jih tudi šele razvijamo. Zaradi negotovosti regulatorji zahtevajo velike varnostne rezerve, torej, da ali povečamo zaščito ali pa da naprava obratuje na manj optimalnih parametrih. S študijami na naši napravi bomo bolje spoznali proces, validirali bomo metode, posledično bodo te natančnejše in zanesljivejše. Posledično bodo lahko varnostne rezerve manjše, kar pomeni, da bomo učinkoviteje prišli do končnega cilja, to je fuzijskih elektrarn.«

Reaktor Triga na IJS je tako znova vpet v enega največjih mednarodnih znanstvenih projektov, poleg tega pa raziskovalci sodelujejo tudi pri velikem hadronskem trkalniku v Cernu, za katerega testirajo odpornost na sevanje za detektorje in elektronske komponente. 

Napravo so razvijali tri leta. FOTO: Saša Senica

Razvoj nove naprave je potekal pod vodstvom prof. dr. Luke Snoja. Na projektu sta delala dva doktorska študenta Domen Kotnik in Julijan Peric, ki sta opravila večino dela. Pri projektu pa so pomagali tudi tuji in domači raziskovalci z različnih področij. Projekt so sofinancirali ARIS, Eurofusion in IJS.

Slovesnega zagona naprave se je udeležil tudi dr. Xavier Litaudon, vodja evropskih raziskav za obratovanje fuzijskega reaktorja Iter s francoskega Komisariata za atomsko energijo in alternativne energije (CEA). Poudaril je, da je slovenska naprava most med obema področjema jedrske energije. »Med meritvami so neenakosti, te bodo zdaj preverjali s Katano. Naprava je pomembna za razvoj fuzije, izjemno vrednost pa ima tudi tudi kot platforma za mlade, ki bodo delovali na tem področju, saj jim bo omogočala edinstvene eksperimente.«

Nadzorni center eksperimenta Katana FOTO: Saša Senica  

Na vprašanje, kako teče gradnja Iterja, je pojasnil, da imajo nekaj težav, ki bodo povzročile zamude. »Prvo plazmo bi morali zagnati leta 2025, a verjetno bo to zgodilo nekoliko kasneje. Trudimo se, da se ne bodo hkrati odmaknili začetki jedrskih operacij, ko bomo proizvedli reakcijo devterij-tritij (DT). Zelo pomembno je, da bomo pripravljeni, ko bo gradnja končana, da čim prej začnemo znanstveno izkoriščati Iter, da bomo kar se da hitro prešli na operacijo DT in da bo Iter proizvedel 10-krat več fuzijske energije od vložene energije.«

Poudaril je, da trenutno raziskovalci ne vidijo razloga, da fuzije ne bi dosegli, čeprav je naloga izjemno zahtevna in še polna izzivov in neodgovorjenih vprašanj. »Vprašanje energije je eno glavnih vprašanj človeštva. Menim, da morajo raziskave teči na vseh področjih, saj bodo energetske zahteve odgovorjene z različnimi načini – od obnovljivih virov do jedrske energije in fuzije. Iter je poskus, ki pa ga je treba izvesti, saj bomo lahko le na njem obravnavali nekatera ključna znanstvena vprašanja, ki bodo vodila do fuzijskih elektrarn.«