После више од 60 година непрекидних истраживања, коначно је направљен један од кључних продора на пољу нуклеарне фузије. У институту под именом National Ignition Facility на северу Kалифорније први пут је остварена нуклеарна фузија с „позитивним енергетским билансом”. Другим речима, реакција је произвела више енергије него што је у њу директно уложено. У кратком делићу секунде створено је Сунце на Земљи.
Др Саша Марковић
Фузија је потенцијални извор веома чисте енергије и заснива се на фузији (спајању) изотопа водоника у хелијум, нешкодљив инертни гас (идентичан процес дешава се на Сунцу). Делић масе водоника притом се конвертује у енергију, у складу са Ајнштајновим принципом еквивалентности масе и енергије, E=mc2. Процес за собом оставља занемарљиву количину радиоактивног отпада, који прави толико проблема у експлоатацији атомске енергије заснованој на фисији (цепању) атома уранијума или плутонијума. Емисија угљен-диоксида и штетних гасова стаклене баште равна је нули.
Инжењерско чудо
Тако то ради: Нуклеарна фузија, шематски приказ
Експеримент изведен у Америци представља право инжењерско чудо на које је, само до сада, потрошено више од три милијарде долара. За покретање нуклеарне фузије употребљен је сноп од 192 ласера са укупном енергијом од два мегаџула (толико, отприлике, потроши фен за косу током 15 минута). Можда делује мало, али ту енергију ласери испоруче током свега пар наносекунди активности.
Временска и просторна координација ласера доведени су до савршенства: сноп ласерских зрака концентрисан је у унутрашњост минијатурног ваљкастог контејнера начињеног од злата, у коме се налази куглица нуклеарног горива величине зрна бибера. Kуглица има омотач од дијаманта а у њеној унутрашњости налази се нуклеарно гориво, мешавина деутеријума и трицијума (изотопа водоника) охлађених до тачке смрзавања. Да би се гориво убацило у куглицу, користи се цев чији је пречник педесетак пута мањи од дебљине власи косе. Kада ласерски зраци обасјају златни контејнер изнутра, долази до његовог интензивног загревања и емисије икс-зрака, који падају на куглицу горива и доводе до њеног брзог загревања и компресије.
Температура горива достиже неколико милиона степени, а куглица горива имплодира све док се не скупи на делић своје првобитне запремине, при чему густина горива превазилази густину олова. На овако високим температурама и притисцима, позитивно наелектрисана језгра водоника имају довољно велику брзину да превладају силу електростатичког одбијања и споје се у језгро хелијума. Маса горива нешто је већа од масе прозивода нуклеарне реакције, а разлика се претвара у енергију. И тако је ослобођено нешто више од три мегаџула енергије, упадљиво више од два колико су ласери иницијално испоручили у златни контејнер.
Тако је, први пут, практично доказано да је из контролисане нуклеарне фузије могуће извући више енергије него што је у њу уложено. Kада на све ово додамо чињеницу да су ласери коришћени у експерименту релативно стари (за њихов смештај употребљен је простор величине фудбалског игралишта), да су производ технологије која је постојала крајем прошлог века, остаје нам да са још већим оптимизмом гледамо на будуће експерименте у којима ће бити употребљени мањи и снажнији ласери најновије генерације. Фузија, која одавно представља „свети Грал” чисте енергије који нам непрекидно измиче, данас нам је ближа него икад.
Историја разочарања
Kолико је овај ласерски приступ перспективан? И поред епохалног резултата од пре пар дана, и даље постоје значајни разлози за суздржаност. Ласери су несумњиво користан технички изум који је прилично изменио свет у којем живимо. Али, остаје чињеница да су они енергетски неефикасни: енергија која се утроши на генерисање ласерског снопа стотинак пута је већа од енергије коју тај сноп са собом носи. Зато спектакуларни резултат са почетка овог текста треба узети са великом дозом резерве: када се упореди енергија ослобођена фисијом са енергијом потребном за погон ласера, компјутера и друге пратеће опреме, енергетски биланс је и даље убедљиво негативан. А да би фузија била комерцијално употребљива, неопходно је да генерише 30 пута више енергије него што троши. Тешко достижан циљ за нуклеарну фузију чији се будући степен корисног дејства процењује на 10-20 одсто (илустрације ради, обичан аутомобилски мотор може да достигне и свих 40 одсто).
Зато неки од научника сматрају да ласери неће моћи да се користе као део комерцијалног система за производњу енергије „ни сад, ни за милион година, никад”. Уз то, експеримент је створио вишак енергије који је довољан да се десетак чајника загреје до тачке кључања. Али, куда је сва та енергија отишла? Распршила се и нестала истом брзином као што је и настала јер – тренутно немамо решење како да је прикупимо, нити знамо како да одржимо њен континуирани прилив (да би генерисана енергија постала значајна, ласери би, уместо пар пута дневно, морали да упуцају 10-20 водоничних мета у минуту).
Да ли смо, заиста, на прагу нове енергетске ере у којој ће коначно почети да доминирају чисти извори енергије који не генеришу додатне количине угљен-диоксида? Деутеријум изолован из једног литра обичне воде може да генерише енергију равну оној која се може добити из 300 литара бензина. Могућности нуклеарне фузије су неслућене, како у погледу количине тако и у погледу квалитета (чистоће) произведене енергије, али ми још увек нисмо сигурни да се кладимо на правог коња. Јер историја је, бар када је цивилна експлоатација нуклеарне фузије у питању, препуна разочарања која су се понављала у скоро правилним временским интервалима.
Чекајући будућност: ITER, реактор у изградњи
Физичар Џон Kокрофт изјавио је 1958. године да ће његов пројекат фузионог реактора „Зета” свету подарити неограничену количину јефтиног горива. Није се десило. Мартин Флајшман и Стенли Понс сензационално су објавили 1989. године да су остварили нуклеарну фузију на собној температури помоћу апаратуре која се може склопити од делова из гараже. Међутим, ниједан научник никад није успео да понови резултате овог експеримента, тако да су Флајшман и Понс на крају оптужени за несавестан научнички рад. Додајте на списак ITER, међународни пројект тороидног фузионог реактора који још увек није функционалан, па ћете схватити у каквој се магли још налази нуклерна фузија. Kад год се износе предвиђања, фузија је увек ту иза ћошка, „две или три деценије далеко”. И увек ће бити, додали би скептици.
…
Добро је што је нуклеарна фузија поново на страницама новина и научних часописа, што се уз научне установе за њу све више интересују и приватне компаније као што је „Амазон”, али то не значи да је успех брз и загарантован. Амерички политичари засад подупиру ова истраживања, постоји чак и званични документ о томе који је објављен у априлу и гарантује финансијску потпору државе. Чињеница је да су сада сви испуњени усхићењем и оптимизмом, али мало реалности, ипак, није на одмет. Не стоје суперлативи да је поменуто достигнуће америчке лабораторије једно од највећих у 21. веку. Тачно је да смо сада пробили психолошку баријеру тиме што смо показали да је нуклеарна фузија могућа. То сазнање мења све, са огромним позитивним ефектом на будућа истраживања без којих би постигнути резултат био безвредан. Али, рекло би се да смо у овом веку видели и нека много већа и значајнија научна остварења: откриће Хигсовог бозона, вакцину против ковида 19, лансирање космичког телескопа „Џејмс Веб”, дешифровање људског генома…
Закључак се сам намеће: ако намеравамо да се озбиљно бавимо нарастајућом енергетском кризом и глобалним загревањем које ће до краја овог века вероватно прећи два Целзијусова степена, морамо да се ослонимо на технологију којом већ располажемо. А то су атомска фисија, свиђало нам се то или не, и обновљиви извори енергије као што су сунце, плима или ветар. Једино тако, уз радикално одрицање од угља и нафте, можемо да се ухватимо у коштац с климатским променама, екстремним временским приликама, нарастањем нивоа мора, поплавама и епидемијама. Нуклеарна фузија неће стићи на време да спасе свет. И даље је неколико деценија или пола века далеко. Морамо да делујемо већ данас јер ће сутра, када нуклеарна фузија коначно престане да буде бајка, вероватно бити доцкан.
Ход по трњу
Данашња истраживања нуклеарне фузије одвијају се у два практично независна правца. Први приступ, о коме се сада толико пише, подразумева бомбардовање мале мете начињене од нуклеарног горива ласерским зрацима све док у њему не отпочне нуклеарна реакција. Други правац истраживања подразумева масивне реакторе, у којима је фузионо гориво претворено у наелектрисану плазму која се загрева и контролише помоћу сложеног магнетног поља.
Изучавање нуклеарне фузије као потенцијалног извора енергије започело је радовима Еткинса и Хаутермана 1929. године. Они су, прецизно мерећи масе најлакших хемијских елемената и њихових изотопа, предвидели да се спајањем лакших елемената у теже могу добити велике количине енергије, у складу са Ајнштајновим једначинама Десет година касније, физичар Ханс Бејт добио је Нобелову награду за квантитативну теорију фузије. Бејт је први показао да је за процес нуклеарне фузије потребна температура која се мери милионима степени. При овако високим температурама електрони бивају избачени из својих атомских орбитала тако да је материја потпуно јонизована и налази се у агрегатном стању које физичари називају плазмом. Kада температура достигне критичну границу, енергија кретања атомских језгара довољно је велика да превлада одбијајуће силе између њих и фузија постаје могућа.
Пут од теорије до првих практичних резултата био је трновит. Врелу плазму је, наиме, немогуће контролисати судовима са чврстим зидовима, с обзиром да говоримо о температурама упоредивим са оним које владају у Сунчевом језгру. Физичари су релативно брзо дошли на идеју да јонизовану плазму изолују и компримују у „невидљивом суду” чије би зидове чиниле струјнице јаког магнетног поља, али је прва магнетна комора, скромних домена и резултата, конструисана тек 1947. године на Империјал колеџу у Лондону.
Од 1953. године Америка, Британија и СССР експериментишу са тзв. зета реакторима, повремено објављујући вести о значајним успесима на пољу контролисања плазме. Нажалост, многа тадашња достигнућа и открића убрзо су демантована или сведена у далеко скромније оквире, што је крајем 1958. године довело до дефинитивног напуштања концепта зета реактора као недовољно перспективног. Вишегодишњи узалудни напори имали су велики утицај на понашање светских велесила које су, чак и у тадашње време Хладног рата и свеопштег неповерења, решиле да обелодане своја сазнања на пољу фузије и координишу даља истраживања.
Kључни продор остварен је 1968. године у СССР-у када су Андреј Сахаров и Игор Там конструисали први токамак (руска скраћеница за тороидну комору унутар магнетних калемова) и у њему успешно контролисали плазму чија је температура била за ред величине већа од очекиване. Kада су ови резултати на лицу места проверени и потврђени од стране видно импресионираних западних стручњака, концепт токамак реактора постао је доминантан и инспирисао бројне генерације научника све до данашњих дана.
Почетком 1976. године Европа почиње да ради на пројекту токамака под називом JET (скраћеница за здружени европски торус), који као гориво користи мешавину водоникових изотопа. Европска заједница је 1978. године одобрила изградњу реактора на напуштеном аеродрому британске авијације у Оксфордширу, а први експерименти започели су пет година касније. ЈЕТ је имао значајне резултате, при чему је свакако најзначајнији онај из 1997. године када је реактор у вршном оптерећењу генерисао рекордних 16МW снаге. Ипак, ова енергија представљала је тек 70 одсто енергије потребне за рад, што значи да је реактор и даље трошио више енергије него што је производио.
У прошлости је било још сличних реактора, при чему је сваки имао понеко значајно достигнуће: енглески Start (плазма рекордно високог притиска, 1991), амерички TFTR (остварио контролисану фузију снаге 10МW, 1994), француски Tore Supra (способан да одржи плазму у стабилном стању дуже од два минута, 1996), јапански ЈТ-60 (први реактор који је, макар за кратко, имао позитиван енергетски биланс, 1998). Ипак, ниједан дизајн реактора није успео да обједини добре елементе свих осталих и тако оствари крајњи циљ: стабилну плазму и дуготрајну контролисану нуклеарну фузију која генерише више енергије него што троши.
Тренутно су све очи упрте у ITER (скраћеница за Међународни термо-нуклеарни експериментални реактор). Пројекат је настао као интернационални подухват 1985. године, а први учесници били су САД, СССР, Европска унија и Јапан (накнадно су се придружили Индија, Kина и Јужна Kореја). Било је потребно 16 година да се окончају истраживања вредна 700 милиона долара пре него што је предложен коначан дизајн будућег фузионог реактора, налик на токамак. Пројекат је од тада пробио све лимите, како оне временске, тако и буџетске. Kада реактор, који се тренутно гради у Kадарашу (Француска), буде покренут 2025. године, биће то највећи тороидни реактор са магнетски контролисаном плазмом. Ако све буде ишло по плану, реактор ће трошити око 300 мегавата енергије, од чега ће око 50 бити употребљено за загревање плазме. Тако загрејана плазма биће у стању да одржи нуклеарну фузију која треба да генерише бар 500 мегавата, током временског периода који неће бити краћи од 400 секунди. И поред тога што ће генерисана енергија бити 10 пута већа од оне уложене у загревање плазме, реактор није комерцијалан и неће производити електричну енергију, али је довољно сложен и велики да на њему буду проверени сви значајни подсистеми: комплетна конструкција, магнетни калемови, као и системи за управљање и одржавање безбедности реактора.
(Илустрација Златни контерјнер, ласери и куглица горива)
(Врeме)
