Nuklearna fuzija
ZLATNI KONTEJNER, LASERI I KUGLICA GORIVA: Eksperiment o kome se priča
“Sveti Gral” čiste energije
Dobro je što je nuklearna fuzija ponovo na stranicama novina i naučnih časopisa, što se uz naučne ustanove za nju sve više interesuju i privatne kompanije kao što je “Amazon”, ali to ne znači da je uspeh brz i zagarantovan
Fuzija je potencijalni izvor veoma čiste energije i zasniva se na fuziji (spajanju) izotopa vodonika u helijum, neškodljiv inertni gas (identičan proces dešava se na Suncu). Delić mase vodonika pritom se konvertuje u energiju, u skladu s Ajnštajnovim principom ekvivalentnosti mase i energije, E=mc2. Proces za sobom ostavlja zanemarljivu količinu radioaktivnog otpada, koji pravi toliko problema u eksploataciji atomske energije zasnovanoj na fisiji (cepanju) atoma uranijuma ili plutonijuma. Emisija ugljen-dioksida i štetnih gasova staklene bašte ravna je nuli.
INŽENJERSKO ČUDO
Eksperiment izveden u Americi predstavlja pravo inženjersko čudo na koje je, samo do sada, potrošeno više od tri milijarde dolara. Za pokretanje nuklearne fuzije upotrebljen je snop od 192 lasera sa ukupnom energijom od dva megadžula (toliko, otprilike, potroši fen za kosu tokom 15 minuta). Možda deluje malo, ali tu energiju laseri isporuče tokom svega par nanosekundi aktivnosti. Vremenska i prostorna koordinacija lasera dovedeni su do savršenstva: snop laserskih zraka koncentrisan je u unutrašnjost minijaturnog valjkastog kontejnera načinjenog od zlata, u kome se nalazi kuglica nuklearnog goriva veličine zrna bibera. Kuglica ima omotač od dijamanta a u njenoj unutrašnjosti nalazi se nuklearno gorivo, mešavina deuterijuma i tricijuma (izotopa vodonika) ohlađenih do tačke smrzavanja. Da bi se gorivo “natočilo” u kuglicu, koristi se cev čiji je prečnik pedesetak puta manji od debljine vlasi kose. Kada laserski zraci obasjaju zlatni kontejner iznutra, dolazi do njegovog intenzivnog zagrevanja i emisije iks-zraka, koji padaju na kuglicu goriva i dovode do njenog brzog zagrevanja i kompresije.
Temperatura goriva dostiže nekoliko miliona stepeni, a kuglica goriva implodira sve dok se ne skupi na delić svoje prvobitne zapremine, pri čemu gustina goriva prevazilazi gustinu olova. Na ovako visokim temperaturama i pritiscima, pozitivno naelektrisana jezgra vodonika imaju dovoljno veliku brzinu da prevladaju silu elektrostatičkog odbijanja i spoje se u jezgro helijuma. Masa goriva nešto je veća od mase prozivoda nuklearne reakcije, a razlika se pretvara u energiju. I tako je oslobođeno nešto više od tri megadžula energije, upadljivo više od dva koliko su laseri inicijalno isporučili u zlatni kontejner.
Tako je, prvi put, praktično dokazano da je iz kontrolisane nuklearne fuzije moguće izvući više energije nego što je u nju uloženo. Kada na sve ovo dodamo činjenicu da su laseri korišćeni u eksperimentu relativno stari (za njihov smeštaj upotrebljen je prostor veličine fudbalskog igrališta), da su proizvod tehnologije koja je postojala krajem prošlog veka, ostaje nam da sa još većim optimizmom gledamo na buduće eksperimente u kojima će biti upotrebljeni manji i snažniji laseri najnovije generacije. Fuzija, koja odavno predstavlja “sveti Gral” čiste energije koji nam neprekidno izmiče, danas nam je bliža nego ikad.
ISTORIJA PREPUNA RAZOČARANJA
Koliko je ovaj “laserski” pristup perspektivan? I pored epohalnog rezultata od pre par dana, i dalje postoje značajni razlozi za suzdržanost. Laseri su nesumnjivo koristan tehnički izum koji je prilično izmenio svet u kojem živimo. Ali, ostaje činjenica da su oni energetski neefikasni: energija koja se utroši na generisanje laserskog snopa stotinak puta je veća od energije koju taj snop sa sobom nosi. Zato spektakularni rezultat sa početka ovog teksta treba uzeti sa velikom dozom rezerve: kada se uporedi energija oslobođena fisijom sa energijom potrebnom za pogon lasera, kompjutera i druge prateće opreme, energetski bilans je i dalje ubedljivo negativan. A da bi fuzija bila komercijalno upotrebljiva, neophodno je da generiše 30 puta više energije nego što troši. Teško dostižan cilj za nuklearnu fuziju čiji se budući stepen korisnog dejstva procenjuje na 10-20 odsto (ilustracije radi, običan automobilski motor može da dostigne i svih 40 odsto).
Zato neki od naučnika smatraju da laseri neće moći da se koriste kao deo komercijalnog sistema za proizvodnju energije “ni sad, ni za milion godina, nikad”. Uz to, eksperiment je stvorio višak energije koji je dovoljan da se desetak čajnika ugreje do tačke ključanja. Ali, kuda je sva ta energija otišla? Raspršila se i nestala istom brzinom kao što je i nastala jer – trenutno nemamo rešenje kako da je prikupimo, niti znamo kako da održimo njen kontinuirani priliv (da bi generisana energija postala značajna, laseri bi, umesto par puta dnevno, morali da “upucaju” 10-20 vodoničnih meta u minutu).
Da li smo, zaista, na pragu nove energetske ere u kojoj će konačno početi da dominiraju čisti izvori energije koji ne generišu dodatne količine ugljen-dioksida? Deuterijum izolovan iz jednog litra obične vode može da generiše energiju ravnu onoj koja se može dobiti iz 300 litara benzina. Mogućnosti nuklearne fuzije su neslućene, kako u pogledu količine tako i u pogledu kvaliteta (čistoće) proizvedene energije, ali mi još uvek nismo sigurni da se kladimo na pravog konja. Jer istorija je, bar kada je civilna eksploatacija nuklearne fuzije u pitanju, prepuna razočaranja koja su se ponavljala u skoro pravilnim vremenskim intervalima.
Fizičar Džon Kokroft izjavio je 1958. godine da će njegov projekat fuzionog reaktora “Zeta” svetu podariti neograničenu količinu jeftinog goriva. Nije se desilo. Martin Flajšman i Stenli Pons senzacionalno su objavili 1989. godine da su ostvarili nuklearnu fuziju na sobnoj temperaturi pomoću aparature koja se može sklopiti od delova iz garaže. Međutim, nijedan naučnik nikad nije uspeo da ponovi rezultate ovog eksperimenta, tako da su Flajšman i Pons na kraju optuženi za nesavestan naučnički rad. Dodajte na spisak i ITER (videti okvir), međunarodni projekt toroidnog fuzionog reaktora koji još uvek nije funkcionalan, pa ćete shvatiti u kakvoj se magli još uvek nalazi nuklerna fuzija. Kad god se iznose predviđanja, fuzija je uvek tu iza ćoška, “dve ili tri decenije daleko”. I uvek će biti, dodali bi skeptici.
Dobro je što je nuklearna fuzija ponovo na stranicama novina i naučnih časopisa, što se uz naučne ustanove za nju sve više interesuju i privatne kompanije kao što je “Amazon”, ali to ne znači da je uspeh brz i zagarantovan. Američki političari zasad podupiru ova istraživanja, postoji čak i zvanični dokument o tome koji je objavljen u aprilu i garantuje finansijsku potporu države. Činjenica je da su sada svi ispunjeni ushićenjem i optimizmom, ali malo realnosti, ipak, nije na odmet. Ne stoje superlativi da je pomenuto dostignuće američke laboratorije jedno od najvećih u 21. veku. Tačno je da smo sada probili psihološku barijeru time što smo pokazali da je nuklearna fuzija moguća. To saznanje menja sve, sa ogromnim pozitivnim efektom na buduća istraživanja bez kojih bi postignuti rezultat bio bezvredan. Ali, reklo bi se da smo u ovom veku ipak videli i neka mnogo veća i značajnija naučna ostvarenja: otkriće Higsovog bozona, vakcinu protiv kovida 19, lansiranje kosmičkog teleskopa “Džejms Veb”, dešifrovanje ljudskog genoma…
Zaključak se sam nameće: ako nameravamo da se ozbiljno bavimo narastajućom energetskom krizom i globalnim zagrevanjem koje će do kraja ovog veka verovatno preći 2oC, moramo da se oslonimo na tehnologiju kojom već raspolažemo. A to su atomska fisija, sviđalo nam se to ili ne, i obnovljivi izvori energije kao što su sunce, plima ili vetar. Jedino tako, uz radikalno odricanje od uglja i nafte, možemo da se uhvatimo u koštac s klimatskim promenama, ekstremnim vremenskim prilikama, narastanjem nivoa mora, poplavama i epidemijama. Nuklearna fuzija neće stići na vreme da spase svet. I dalje je nekoliko decenija ili pola veka daleko. Moramo da delujemo već danas jer će sutra, kada nuklearna fuzija konačno prestane da bude bajka, verovatno biti dockan.
Hod po trnju
Današnja istraživanja nuklearne fuzije odvijaju se u dva praktično nezavisna pravca. Prvi pristup, o kome se sada toliko piše, podrazumeva bombardovanje male mete načinjene od nuklearnog goriva laserskim zracima sve dok u njemu ne otpočne nuklearna reakcija. Drugi pravac istraživanja podrazumeva masivne reaktore, u kojima je fuziono gorivo pretvoreno u naelektrisanu plazmu koja se zagreva i kontroliše pomoću složenog magnetnog polja.
Izučavanje nuklearne fuzije kao potencijalnog izvora energije započelo je radovima Etkinsa i Hautermana 1929. godine. Oni su, precizno mereći mase najlakših hemijskih elemenata i njihovih izotopa, predvideli da se spajanjem lakših elemenata u teže mogu dobiti velike količine energije, u skladu sa Ajnštajnovim jednačinama. Deset godina kasnije, fizičar Hans Bejt dobio je Nobelovu nagradu za kvantitativnu teoriju fuzije. Bejt je prvi pokazao da je za proces nuklearne fuzije potrebna temperatura koja se meri milionima stepeni. Pri ovako visokim temperaturama, elektroni bivaju izbačeni iz svojih atomskih orbitala tako da je materija potpuno jonizovana i nalazi se u agregatnom stanju koje fizičari nazivaju plazmom. Kada temperatura dostigne kritičnu granicu, energija kretanja atomskih jezgara dovoljno je velika da prevlada odbijajuće sile između njih i fuzija postaje moguća.
Put od teorije do prvih praktičnih rezultata bio je trnovit. Vrelu plazmu je, naime, nemoguće kontrolisati sudovima sa čvrstim zidovima, s obzirom da govorimo o temperaturama uporedivim sa onim koje vladaju u Sunčevom jezgru. Fizičari su relativno brzo došli na ideju da jonizovanu plazmu izoluju i komprimuju u “nevidljivom sudu” čije bi zidove činile strujnice jakog magnetnog polja, ali je prva magnetna komora, skromnih domena i rezultata, konstruisana tek 1947. godine na Imperijal koledžu u Londonu.
Od 1953. godine Amerika, Britanija i SSSR eksperimentišu sa tzv. Zeta reaktorima, povremeno objavljujući vesti o značajnim uspesima na polju kontrolisanja plazme. Nažalost, mnoga tadašnja “dostignuća” i “otkrića” ubrzo su demantovana ili svedena u daleko skromnije okvire, što je krajem 1958. godine dovelo do definitivnog napuštanja koncepta Zeta reaktora kao nedovoljno perspektivnog. Višegodišnji uzaludni napori imali su veliki uticaj na ponašanje svetskih velesila koje su, čak i u tadašnje vreme Hladnog rata i sveopšteg nepoverenja, rešile da obelodane svoja saznanja na polju fuzije i koordinišu dalja istraživanja.
Ključni prodor ostvaren je 1968. godine u SSSR-u kada su Andrej Saharov i Igor Tam konstruisali prvi “tokamak” (ruska skraćenica za “toroidnu komoru unutar magnetnih kalemova”) i u njemu uspešno kontrolisali plazmu čija je temperatura bila za red veličine veća od očekivane. Kada su ovi rezultati na licu mesta provereni i potvrđeni od strane vidno impresioniranih zapadnih stručnjaka, koncept tokamak reaktora postao je dominantan i inspirisao brojne generacije naučnika sve do današnjih dana.
Početkom 1976. godine Evropa počinje da radi na projektu tokamaka pod nazivom JET (skraćenica za “združeni evropski torus”), koji kao gorivo koristi mešavinu vodonikovih izotopa. Evropska zajednica je 1978. godine odobrila izgradnju reaktora na napuštenom aerodromu britanske avijacije u Oksforširu, a prvi eksperimenti započeli su pet godina kasnije. JET je imao značajne rezultate, pri čemu je svakako najznačajniji onaj iz 1997. godine kada je reaktor u vršnom opterećenju generisao rekordnih 16MW snage. Ipak, ova energija predstavljala je tek 70 odsto energije potrebne za rad, što znači da je reaktor i dalje trošio više energije nego što je proizvodio.
U prošlosti je bilo još sličnih reaktora, pri čemu je svaki imao poneko značajno dostignuće: engleski “Start” (plazma rekordno visokog pritiska, 1991), američki TFTR (ostvario kontrolisanu fuziju snage 10MW, 1994), francuski “Tore Supra” (sposoban da održi plazmu u stabilnom stanju duže od dva minuta, 1996), japanski “JT-60” (prvi reaktor koji je, makar za kratko, imao pozitivan energetski bilans, 1998). Ipak, nijedan dizajn reaktora nije uspeo da objedini dobre elemente svih ostalih i tako ostvari krajnji cilj: stabilnu plazmu i dugotrajnu kontrolisanu nuklearnu fuziju koja generiše više energije nego što troši.
Trenutno su sve oči uprte u ITER (skraćenica za “Međunarodni termo-nuklearni eksperimentalni reaktor”). Projekat je nastao kao internacionalni poduhvat 1985. godine, a prvi učesnici bili su SAD, SSSR, Evropska unija i Japan (naknadno su se pridružili Indija, Kina i Južna Koreja). Bilo je potrebno 16 godina da se okončaju istraživanja vredna 700 miliona dolara pre nego što je predložen konačan dizajn budućeg fuzionog reaktora, nalik na “tokamak”. Projekat je od tada probio sve limite, kako one vremenske, tako i budžetske. Kada reaktor, koji se trenutno gradi u Kadarašu (Francuska), bude pokrenut 2025. godine, biće to najveći toroidni reaktor sa magnetski kontrolisanom plazmom. Ako sve bude išlo po planu, reaktor će trošiti oko 300 megavata energije, od čega će oko 50 biti upotrebljeno za zagrevanje plazme. Tako zagrejana plazma biće u stanju da održi nuklearnu fuziju koja treba da generiše bar 500 megavata, tokom vremenskog perioda koji neće biti kraći od 400 sekundi. I pored toga što će generisana energija biti 10 puta veća od one uložene u zagrevanje plazme, reaktor nije komercijalan i neće proizvoditi električnu energiju, ali je dovoljno složen i veliki da na njemu budu provereni svi značajni podsistemi: kompletna konstrukcija, magnetni kalemovi, kao i sistemi za upravljanje i održavanje bezbednosti reaktora.
