ENERGIJA

Jelena Marjanović

Fuzija: potraga za svetim gralom

San o doglednoj budućnosti

Početkom februara odjeknula je vest da Japan planira izgradnju 22 termoelektrane na ugalj. Nakon što su katastrofalni zemljotres i cunami doveli do havarije nuklearne elektrane u Fukušimi 2011. godine, temeljita inspekcija drugih nuklearki u zemlji ustanovila je ozbiljne propuste u njhovom vođenju i izazvala političke skandale. Borba sa kontaminacijom nastalom usled havarije tek će isisavati novac iz budžeta Japana u decenijama koje dolaze. Posledica svih ovih dešavanja je potpuno gašenje nuklearnog programa u Japanu.

Vest o povratku na ugalj jedne od tehnološki najnaprednijih zemalja sveta je u najmanju ruku zabrinjavajuća. Neposredni uticaj novih elektrana na emisiju CO2 u atmosferu biće jednak doprinosu emisiji CO2 svih automobila u SAD. 
Šta je sa alternativama?
Solarna energija nije rešenje za Japan zbog velike cene zemljišta i nedovoljne osunčanosti. Energija vetra ima veoma mali udeo u energetici Japana i vlada ne planira da u nju mnogo ulaže. Šta bi moglo efikasno da zameni termoelektrane bilo gde u svetu?

U srca zvezda

Potraga za čistom i neiscrpnom energijom koja bi pokretala naš svet u 21. veku podseća na srednjevekovnu potragu za svetim gralom. 
Nuklearne elektrane koje se danas koriste u svetu rade na principu fisije: radioaktivni raspad velikih atomskih jezgara atoma rezultuje oslobađanjem energije. Kontrolisanje i obuzdavanje ovog procesa ozbiljan je zadatak. A ako se u njemu ne uspe, suočavamo se sa katastrofama poput Černobilja ili Fukušime.
Druga vrsta nuklearnog procesa koji rezultuje oslobađanjem još veće količine energije je nuklearna fuzija. Ona se odigrava u srcu zvezda, gde se na izuzetno visokoj temperaturi (u našem Suncu je to 15.000.000 C) i pod ogromnim gravitacionim pritiskom, spajaju atomska jezgra lakih atoma - od dva jezgra vodonika nastaje jezgro helijuma, i oslobađa se energija toliko velika da njen bljesak vidimo golim okom na noćnom nebu sa udaljenosti od više hiljada svetlosnih godina. Kada bi uspeli da ostvarimo i kontrolišemo fuziju u nuklearnom reaktoru, mogli bismo da dobijemo obilje energije, vodonik bi bio praktično neiscrpno gorivo, a opasnost po okolinu bila bi, za razliku od fisionog reaktora, minimalna: da bi se održavao proces fuzije potrebno je stalno dovoditi velike količine energije. Onog trenutka kada se prekine dovod energije, reaktor bi se momentalno ugasio bez ozbiljne opasnosti od sekundarnih procesa koji bi mogli da dovedu do havarija i radioaktivnog zračenja.

Prvi koncept fuzionog reaktora, pod nazivom “Tokomak”, razvili su ruski naučnici pre 70 godina. Ovaj reaktor ima oblik metalnog šupljeg đevreka, u kojem jako magnetno polje održava plazmu na bezbednoj udaljenosti od zidova reaktora, na temperaturi nekoliko puta većoj od one u središtu Sunca. Plazma je agregatno stanje materije na visokoj temperaturi u kojoj elektroni imaju toliku energiju da su napustili orbitale svojih atoma i “plivaju” kroz kašu pozitivno naelektrisanih jezgara.
Da bi došlo do fuzije, potrebno je savladati odbojne eletrične sile koje se javljaju između istopolnih naelektrisanja jezgara atoma i približiti ih dovoljno da dođe do njihovog spajanja. U srcu zvezde, ovaj proces je potpomognut jakom gravitacionom silom koja stvara ogroman pritisak. Pošto nemamo takvu gravitaciju na raspolaganju, rešenje je da se, u reaktoru, plazma zagreje do temperature od 100.000.000 C, što treba da inicira fuzionu reakciju. Od tog trenutka sama reakcija održavala bi temperaturu plazme, a višak toplote, u vidu neutrona velikih brzina, bi se preko unutrašnjeg omotača reaktora odvodio dalje. Nastavak priče nekako ne pripada 21. veku, ali je na žalost isti kao i u većini drugih sofisticiranih i onih drugih načina proizvodnje struje danas: bilo da je u pitanju fisiona atomska centrala, termoelektrana na ugalj ili ogromno solarno polje u srcu pustinje, svuda se proizvedena toplotna energija koristi za zagrevanje vode i proizvodnju pare, koja pokreće turbinu i tako stvara električnu energiju.

Postrojenje od milion delova

Krajem 2018. godine kineski državni mediji objavili su vest da je na Hefei institutu za fiziku zapaljena veštačka zvezda. U tokamak fuzionom reaktoru postignuta je temperatura od 100 miliona stepeni. Ova vest, koja je odjeknula u mnogim sferama, ne samo naučnim, podsetila je na dugogodišnje napore da se ukroti energija fuzije.
Daleke 1985. godine predsednici Regan i Gorbačov dogovorili su zajedničko učešće njihovih zemalja u projektu ITER (Internacionalni Termonuklearni Eksperimentalni Reaktor). Projekat okuplja 35 zemalja; pored Rusije i SAD, tu su Japan, Indija, Kina, Koreja i zemlje EU. ITER je zapravo eksperiment ogromnih razmera. U pitanju je veliki tokamak reaktor koji ima za cilj da proizvede 10 puta više energije od one koja se uloži u iniciranje i održavanje procesa. U njemu će se vršiti ispitivanja koja treba da, jednog dana, dovedu do izgradnje komercijalnih fuzionih elektrana. Izgradnja ovog ogromnog i izuzetno složenog postrojenja, koje će se “sastojati od milion delova” počela je na jugu Francuske 2010. godine, a u planu je da se prva fuzija ostvari 2025. Za njegovu realizaciju planiran je budžet od 5 milijardi dolara. Do sada je taj budžet premašen pet puta. Prema nekim prognozama, postoje sumnje da će  izgradnja biti završena pre 2035 godine, što početak razvoja komercijalnih reaktora odlaže u još dalju budućnost. 
I pored toga što su godinama unazad vlade zemalja učesnica svoje budžete za razvoj fuzione tehnologije usmeravale ka ITER-u, kao glavnom nosiocu razvoja, potraga za fuzijom se paralelno odvijala u laboratorijama širom sveta. Kineskih 100 miliona stepeni deluje impresivno (u najmanju ruku), ali to nije rekordna temperatura koja je postignuta: 1995. je u laboratoriji u Prinstonu postignuta temperatura od 510 miliona Celzijusovih stepeni. Dve godine kasnije ostvaren je drugi rekord: u laboratoriji u Engleskoj proizvedeno je 16 MW energije. Ovo je veliki uspeh imajući u vidu da je još uvek ogroman problem dobiti više energije nego što se uloži da bi se plazma zagrejala i fuzija inicirala. Za postizanje kineske veštačke zvezde 2018. godine, u kojoj se fuzija odvijala samo 10 sekundi, proizvedeno je samo upola energije koliko je potrošeno da bi se izveo eksperiment: onoliko koliko bi 1650 bogatih domaćinstava potrošilo za godinu dana. 

Temperatura od 3,1 milijarde C

Tokamak reaktor je ideja koja je najduže prisutna, ali svakako nije jedina. Druga metoda koja puno obećava je postizanje fuzije uz pomoć lasera: fuziono gorivo -   sada najčešće pričamo o peletu sastavljenom od vodonika i borovog izotopa B11 -  se pod dejstvom lasera (ili jonizovanih zraka) dovodi do temperature na kojoj počinje proces stapanja jezgara. Ova metoda je postala naročito atraktivna zahvaljujući razvoju izuzetno jakih lasera, za šta je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku 2018. godine. Osnovni problem kod ove metode je što je potrebno postići izuzetno visoke temperature (pominje se 3,1 milijarde Celzijusovih stepeni), a na toj temperaturi je jako teško predvideti ponašanje plazme kako bi je bilo moguće kontrolisati.
Tu na scenu stupaju superkompjuteri, drugi važan proizvod tehnološkog razvoja koji je uneo revoluciju u istraživanje fuzije. Modelovanje ponašanja plazme u tako ekstremnim uslovima je veoma komplikovano, pa su istraživači ranije bili upućeni pre svega na eksperimentalni pristup u istraživanju. Međutim, brzi superkompjuteri su dramatično smanjili vreme potrebno da se obave potrebni proračuni i omogućili da rešenja počnu da se javljaju i van laboratorije (što, između ostalog, dramatično smanjuje račun za potrošenu električnu energiju). 
Krajem februara su iz Australije stigle vesti o kompaniji “HB11 Energy” koja je izašla u medije sa saopštenjem da su uspeli da ovom metodom, laserima i peletom koji sadrži vodonik i bor (HB11), ostvare fuziju, ali na temperaturama dramatično nižim nego što se pretpostavljalo da je neophodno. Kako je u pitanju kompanija, detalji njihovog rada su sakriveni od očiju javnosti i obezbeđeni nizom patenata. Ono što se saznalo je da je metoda proizvod dvadesetogodišnjeg rada profesora Hajnriha Hora, osnivača ovog startapa. Reaktor se sastoji od komore u kojoj jedan laser održava magnetno polje koje drži plazmu “na okupu”, dok dejstvo drugog lasera treba da okine lavinski proces fuzione lančane reakcije. Fuzija nastaje kada jezgro vodonika velikom brzinom udara u jezgro bora. Razlika u odnosu na prethodne metode je što se jezgro vodonika sada koristi kao strelica kojom se gađa jezgro bora, za razliku od haotičnog kretanja jezgara u ranijim metodama sa mnogo višim temperaturama.
Još jedna važna prednost ovog pristupa je što je reakcija “aneutronska” tako da nema lavine visokoenergetskih neutrona, koji kod tokamaka nose toplotnu energiju koja se koristi u daljoj proizvodnji električne energije (i povremeno može da istopi reaktor). U ovoj metodi je proizvod reakcije alfa zračenje. Alfa čestice su zapravo pozitivno naelektrisana jezgra helijuma. Kretanje ovih naelektrisanja stvara električnu struju koju je, kako kaže direktor ovog startapa, moguće skoro direktno usmeriti u postojeću elektrodistributivnu mrežu. Dakle, nema potrebe za zagrevanjem vode i korišćenjem parne turbine da bi se proizvela struja.

Projekti od kojih se očekuje...

U ovom trenutku postoji više od 20 različitih grupacija koje se bave istraživanjima na polju nuklearne fuzije, a da to nisu veliki međudržavni ili državni projekti. Mnogi od njih su startapovi koje su osnovali sami istraživači, a koji su u poslednjih 5 godina privukli finansijere i ulaganja od preko 1,5 milijardi dolara. Najpoznatiji među investitorima su: Džef Bezos, vlasnik “Amazona”, Bil Gejts iz “Majkrosofta” ili Piter Til, jedan od osnivača “PayPal”-a. Kompanija “Lokid Martin” je takođe pokrenula sopstvena istraživanja na polju fuzije. Ni “Google” nije ostao po strani, već je kroz partnerstvo sa jednim od najstarijih startapa iz ove oblasti (“TEA Technologies”) stavio na raspolaganje svoj algoritam za mašinsko učenje, kako bi se modelovanjem procesa došlo do optimalnih parametara za ostvarivanje fuzione reakcije. Svi ovi projekti, daleko manji po obimu od ITER-a, bazirani su na tehnologijama kojih nije bile pre 10 godina, a koje su otvorile vrata za potpuno nove pristupe koji premošćuju probleme koji su do sada predstavljali blokatore razvoja.
Ove godine se očekuje da se u Kini pusti u rad još jedan fuzioni tokamak reaktor, pod nazivom HL-2M, koji je nastao kao proizvod učešća Kine u projektu ITER, a u kojem treba da se postignu  temperature od 200.000.000 C. 
Stari vic među fizičarima kaže da je dobijanje energije iz fuzije san za koji se uvek mislilo da će se ostvariti za nekih 30 godina. Tako je bilo pre 70 godina, tako je i danas. Sada, međutim, najnovija dostignuća potkrepljuju optimizam da će ova tradicija biti prekinuta i da je preko potrebni izvor čiste i svima dostupne energije san koji bi se zaista mogao ostvariti u doglednoj budućnosti. 

Jelena Marjanović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"