Ekipa konzorcija Eurofusion, v katerem so tudi slovenski raziskovalci, je z napravo Joint European Torus (Jet) proizvedla rekordnih 59 megadžulov fuzijske energije. Dosežek je v času, ko se svet spoprijema z naraščajočimi potrebami po energiji in vse večjimi okoljskimi problemi, še kako pomemben in dobrodošel. Potrjuje namreč, da lahko fuzijska energija zagotovi varno in učinkovito maloogljično proizvodnjo energije.

Rekord, dosežen decembra, je plod dobrih dveh desetletij raziskav več kot 4800 znanstvenikov, inženirjev in študentov iz vse Evrope. Na največji obratujoči fuzijski napravi na svetu, Jet v Culhamu agencije za jedrsko energijo Združenega kraljestva (UKAEA), so več kot podvojili prejšnji rekordni dosežek, ki je znašal 21,7 megadžulov (MJ) in je bil na isti napravi dosežen leta 1997.

»Dosežek je pomemben predvsem z vidika stabilnega obratovanja reaktorja na visoki moči. V petsekundnem pulzu se je sprostilo trikrat več energije kot v primerljivem pulzu leta 1997,« poudarja dr. Igor Lengar z Instituta Jožef Stefan (IJS) in dodaja, da je »možnost vzdrževanja ustreznih razmer, da fuzija lahko poteka in se energija sprošča, posledica obsežne prenove tokamaka Jet v letih 2010 in 2011. Takrat so bile zamenjane komponente tokamaka, ki mejijo na fuzijsko plazmo, zato so izgube med delovanjem reaktorja zdaj manjše, kar je posledično omogočilo obratovanje z večjo močjo in večjo sproščeno energijo, izboljšana je bila tudi zmogljivost segrevanja plazme. Pri tem je pomembno, da so komponente reaktorja Jet narejene iz enakih materialov, kot bodo v reaktorju Iter, ki bo veliko večji od Jeta. Uspeh trenutnih eksperimentov je torej odlična popotnica za eksperimente v reaktorju Iter.«

Iter je velikopotezen mednarodni testni projekt, ki ga uresničujejo na jugu Francije. Z naskokom bo največji fuzijski reaktor, saj bo njegovo srce, to je obročasta vakuumska posoda, tokamak, zadrževalo kar 830 kubičnih metrov plazme (desetkrat več, kot je prostornina plazme v tokamaku Jet, to je okoli 80 kubičnih metrov). Njegov najpomembnejši cilj je, da bi prvič v zgodovini fuzijske znanosti proizvedli več energije, kot je je potrebno za segrevanje plazme, in s tem dokazali znanstveno in tehnološko izvedljivost pridobivanja fuzijske energije. Iter naj bi iz 50 megavatov vložene energije ustvaril 500 megavatov fuzijske energije. Prvo plazmo naj bi pognali čez nekaj let, sledilo bo več let raziskav z devterijevo plazmo, nato nadgradnja naprave in sistemov, ki bodo omogočili pravo fuzijsko reakcijo z devterijem (²H) in tritijem (³H) deset let kasneje. Iter bo testni korak do njegovega naslednika, reaktorja Demo s podobno zasnovo, ki pa bo že proizvedel prvo električno energijo. Fuzijska elektrarna bo toploto, ki bo nastala v tokamaku pri zlivanju vodikovih jeder, uporabila za proizvodnjo pare in nato prek turbin in generatorjev električne energije. Pri njegovem načrtovanju že sodelujejo tudi slovenski znanstveniki.

Kako na Zemlji ustvariti Sonce in ga krotiti

Jet, Iter in podobni reaktorji na Zemlji poustvarjajo Sonce, katerega fuzija je vir našega življenja. Razmere v središču naše zvezde so milo rečeno brutalne, še hujši, a vseeno nekoliko drugačen »pekel« pa morajo skovati v tokamakih. »Bistvo fuzijskega reaktorja je segrevanje goriva, ki je mešanica dveh izotopov vodika, do temperature okoli 150 milijonov stopinj Celzija, kar je približno desetkratna temperatura kot v središču Sonca. Močno gravitacijsko silo, ki v Soncu zagotavlja fuzijo, v reaktorju nadomešča zelo močno magnetno polje. Tlak, ki ga poustvarimo v reaktorju, je sicer nižji od tistega v središču zvezde, v tokamakih tudi uporabljamo druge izotope vodika, kot so v Soncu, kjer se zliva predvsem običajni vodik, medtem ko v tokamaku uporabljamo gorivno mešanico devterija in tricija,« opisuje razlike dr. Lengar.

»V tokamaku reaktorja Jet vroče gorivo, ki je pri tej temperaturi v obliki plazme, zadržujemo z močnim magnetnim poljem, ki preprečuje, da bi se vroča plazma dotaknila stene reaktorja in se ohladila. Magnetno polje plazmo tudi segreva, dodatno pa jo moramo segreti z mikrovalovnim sevanjem in tako, da del goriva vbrizgamo v reaktor z zelo visoko energijo prek pospeševalnikov delcev,« razlaga sogovornik. »Glavne komponente reaktorja so torej močni elektromagneti, antene za segrevanje plazme in pospeševalniki delcev. Iter bo po osnovnem principu delovanja zelo podoben Jetu, glavna razlika bo v njegovi velikosti in pa v tem, da bo uporabljal superprevodne elektromagnete. To pomeni, da bodo vsi magneti v Iterju ohlajeni na temperaturo –269 stopinj Celzija, kar je le štiri stopinje nad absolutno najnižjo možno temperaturo. V Jetu uporabljamo klasične bakrene elektromagnete, ki se med obratovanjem močno segrejejo, zato je tudi dolžina pulza omejena na nekaj sekund. Lahko si predstavljate tehnološko zahtevnost naprave, kot je Iter, kjer magnet pri temperaturi blizu absolutne ničle in vročo plazmo pri temperaturi, desetkrat višji, kot je v notranjosti Sonca, loči le dober meter. Jet in Iter kot edina tokamaka za gorivo uporabljata mešanico devterija in tricija. Večina drugih fuzijskih reaktorjev uporablja le devterij, kar pri enako močnem magnetnem polju pomeni veliko manjšo moč.«

Igor Lengar še pojasnjuje, da se je pri prvih poskusih nadzorovane fuzije v drugi polovici prejšnjega stoletja sprostilo tako malo energije, da so jo težko zaznali tudi z občutljivimi napravami, toda s poskusi so dokazali, da je v tokamakih možno proizvajati energijo. »Naprave so se nato večale in s tem se je večala tudi energija, ki jo je bilo mogoče proizvesti v posameznem pulzu. Prejšnji rekordni pulz, prav tako na reaktorju Jet leta 1997, je tako proizvedel 21,7 MJ energije, nedavni najmočnejši pulz je je proizvedel skoraj trikrat več. To kaže, da smo na pravi poti. Naj omenim, da je povečanje zgolj plod uporabe različnih materialov in natančnejšega načrtovanja lastnosti plazme med pulzom na sicer istem tokamaku. Torej je dosežek posledica boljšega poznavanja fizikalnih procesov med delovanjem reaktorja.« Še naprej se bodo strokovnjaki trudili, nadaljevali raziskave in poskušali energijo še povečati. »Vsi upi raziskovalcev, ki se ukvarjamo s fuzijo, pa so uprti v dokončanje tokamaka Iter, kjer bodo energije predvidoma nekaj velikostnih redov višje.«

Slovenska udeležba

Na fuzijskih projektih v okviru konzorcija Eurofusion sodeluje okoli 50 slovenskih raziskovalcev, nekaj jih je neposredno povezanih z Jetom, in sicer Aljaž Čufar, Aleksander Drenik, Igor Lengar, Natan Osterman, Matjaž Panjan, Vladimir Radulović, Luka Snoj, Andrej Žohar (vsi zaposleni na IJS), Ivan Kodeli in Žiga Štancar sta trenutno zaposlena v organizaciji UKAEA in delujeta neposredno na Jetu, Bor Kos pa je trenutno zaposlen v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge v ZDA. Slovenski znanstveniki, kot pravi Lengar, sodelujejo predvsem pri računski podpori eksperimentom. »Konkretno smo opravili preračune detektorskih sistemov, kar je ključno prispevalo k njihovi natančni kalibraciji, tako da je bilo možno dovolj natančno določiti, da je bila energija med zadnjim pulzom dejansko 59 MJ, ne morda 57 ali 65 MJ.«

Fuzija bo rešitev, vendar …

Ob vse višjih cenah energije bi si vsekakor želeli, da bi fuzijski reaktorji zrasli čim prej. Kot poudarja dr. Boštjan Končar z IJS, vodja Slovenske fuzijske asociacije (SFA), je to varen, čist in tako rekoč neizčrpen vir energije. »Gorivo za fuzijsko reakcijo je vodik, ki ga pridobivamo iz vode in je tako skoraj neomejen in geografsko neodvisen vir. Pri fuzijski reakciji se sprosti ogromno energije. Za delovanje 1500-megavatne fuzijske elektrarne bi potrebovali denimo le kilogram vodika na dan, medtem ko termoelektrarna enake moči pokuri približno 10.000 ton premoga na dan in pri tem proizvede še velike količine toplogrednih plinov.« Kdaj bo fuzija kot vir elektrike realnost, je težko napovedati, najprej je treba počakati tudi na rezultate obratovanja Iterja, pravi Končar: »Pričakujemo lahko, da bodo prve komercialne fuzijske elektrarne z močjo okoli 1500 megavatov nared v drugi polovici stoletja. Danes pa se moramo še vedno zanesti na obstoječe maloogljične vire energije.«

Gradnja fuzijskih reaktorjev je izredno zahteven znanstveni, tehnološki in finančni zalogaj. Gradnja Iterja bo po zadnjih ocenah stala okoli 20 milijard evrov. Boštjan Končar opozarja, da je ovir na poti do izkoriščanja fuzije še kar nekaj: »Trenutno so te morda predvsem tehnološke in organizacijske narave, vendar je tudi še marsikatera fizikalna dilema. Še vedno poteka razvoj materialov, ki bodo prenesli visoke toplotne in sevalne obremenitve v reaktorju. Ne poznamo še povsem medsebojnih interakcij med fuzijsko plazmo in materiali. Velik izziv je odprava in obvladovanje nestabilnosti v vroči fuzijski plazmi, ki lahko privedejo do energijskih prebojev in poškodb reaktorja. Poleg tega bo treba razviti tehnologijo za proizvodnjo tricija v reaktorju. Prav dosežek v napravi Jet zadeva kar nekaj teh izzivov in dokazuje, da je izkoriščanje fuzijske energije povsem realna možnost v bližnji prihodnosti. V eksperimentih smo se veliko naučili in zdaj precej bolje vemo, kateri so naslednji koraki na poti do želenega cilja.«

Okoljsko najbolj sprejemljiva energija

Pri fuzijski reakciji ne nastajajo toplogredni plini, prav tako skoraj ni drugih škodljivih vplivov, ki bi dolgotrajno obremenjevali okolje, še poudarja Končar. »Dobra lastnost fuzije je tudi izredno visoka gostota energije. To pomeni, da v fuzijski reakciji sodeluje zelo majhna količina goriva, mešanico devterija in tricija namreč dovajamo v miligramih, pri čemer pa se sprosti velikanska količina energije in nastane zelo malo produktov reakcije, to je nevtronov in inertnega plina helija. Nastale količine obojega so zelo majhne, tako da z uporabo fuzije ne moremo rešiti preskrbe s helijem. Zaradi obsevanja materialov v reaktorju z nastalimi nevtroni bo sicer nastalo nekaj radioaktivnih odpadkov, vendar bodo ti, s pravilno izbiro materialov, v približno sto letih razpadli na nivo naravnega ozadja in ne bodo več radioaktivni. V primerjavi z drugimi tehnologijami bo fuzija gotovo eden najbolj učinkovitih in okoljsko najbolj sprejemljivih virov energije.«

Ena glavnih prednosti fuzije je tudi varnost. »Obe reakciji, fisija in fuzija, sta jedrski, vendar gre pri fisiji za cepitev težkih uranovih jeder, pri fuziji pa za zlivanje lahkih vodikovih jeder. Pri fuziji gorivo med obratovanjem dodajamo sproti, v izredno majhnih količinah, po miligramih, dovod goriva pa lahko kadarkoli prekinemo. V vsakem trenutku je torej v reaktorju le majhna količina goriva, do 0,1 grama, in produktov reakcije. To je tudi maksimalna količina, ki bi v primeru izrednega dogodka lahko reagirala, torej to ne bi povzročilo posledic. Še bolj pomembno je, da bi se fuzijska reakcija samodejno ustavila, takoj ko bi nastala kakšna motnja v delovanju reaktorja. To je sicer dobro z vidika varnosti, vendar hkrati pomeni, da je fuzijsko reakcijo zelo zahtevno vzdrževati,« sklene dr. Končar.