Nuklearna fuzija – (ne)kontrolisana energija

Solarni paneli, vetrogeneratori i drugi alternativni izvori i dalje ne obezbeđuju dovoljno čiste energije. Fuzija bi predstavljala konačno rešenje… kada bismo umeli da je kontrolišemo.

Fuzija je proces spajanja dva lakša atomska jezgra u jedno jezgro veće atomske mase. Razlika u masi oslobađa se kao energija, prema Ajnštajnovoj formuli ekvivalencije mase i energije. Ta energija se može koristiti za dobijanje toplote, koja se zatim pomoću parnih turbina i generatora može transformisati u električnu energiju. Uređaji za iskorišćavanje tako nastale energije nazivaju se fuzijski reaktori.

Kako zvezde zrače

Fuzija se neprekidno dešava na Suncu i drugim zvezdama, dakle primarnoj energiji koja pokreće Univerzum. U tom procesu se dva jezgra vodonika ili izotopa vodonika dovoljno približe da se stope u atom helijuma, dok se deo mase vodonika pretvara u energiju. Vodonik se koristi zbog toga što je najmanji – njegovo jezgro ima samo jedan proton. Jezgra se mogu stopiti samo pri ekstremno visokim temperaturama koje mogu da prevaziđu elektrostatičko odbijanje između dva jezgra.

Fuzija ima brojne prednosti u odnosu na nuklearnu fisiju koja se danas koristi u elektranama. Gotovo u potpunosti je eliminisana radioaktivnost i količina nuklearnog otpada je minimalna

Fuzijski procesi odvijaju se u zatvorenom okruženju sa tačno definisanom temperaturom, pritiskom i vremenom zatvorenosti – Lawson-ov kriterijum. Pritom se kao gorivo koriste izotopi vodonika (deuterijum, tricijum ili njihova mešavina), koji reaguju lakše od vodonika. U većini sistema gorivo se zagreva na oko 100 miliona stepeni, pri čemu se jezgra i elektroni nalaze u obliku plazme. Tako zagrejani gas podvrgava se velikom pritisku koji sabija atome i dovodi do njihove međusobne reakcije.

Nuklearna fuzija ima brojne prednosti u odnosu na nuklearnu fisiju (raspad atomskih jezgara), koja se danas koristi u elektranama. Gotovo u potpunosti je eliminisana radioaktivnost i količina nuklearnog otpada je minimalna. Ipak, stvaranje uslova potrebnih za njeno odvijanje je teško i neekonomično. Visoka temperatura predstavlja ogroman problem za praktičnu realizaciju fuzionih sistema, pa energija koja se dobijala ovim procesom do sada nije bila veća od one koja se u taj proces ulagala. Zbog toga se u istraživanju fuzije, koje je otpočelo četrdesetih godina 20. veka, vrlo sporo napredovalo.

Krenulo se od oružja

Korišćenje energije nuklearne fuzije vezuje se najpre za nuklearno oružje – hidrogensku bombu. Ona je oslobađala 500 puta veću energiju u odnosu na bombu zasnovanu na fisiji. Dalja istraživanja dovela su do realizacije nekoliko sistema zasnovanih na fuziji: Zeta i Sceptre (Velika Britanija), stelarator i magnetno ogledalo (SAD), tokamak (SSSR). Većina novih istraživanja zasniva se na tokamak sistemu (skraćenica od ruskog izraza „toroidalna komora s magnetizovanim zavojnicama“), a glavni cilj je razvoj sistema koji će ponuditi jeftinija rešenja za nuklearnu fuziju.

Najveći program fuzije koji se danas razvija je ITER. Ovaj multinacionalni projekat u južnoj Francuskoj, vredan 22 milijarde dolara, finansira više država. Dizajniran je da ne proizvodi električnu energiju, već da demonstrira izvodljivost fuzije stvaranjem čiste energetske dobiti i održavanjem fuzione reakcije tokom dužeg perioda. U središtu eksperimenta je masivna mašina – tokamak, gde se odvija reakcija fuzije. Uređaj koristi magnetna polja za kompresiju plazme kako bi se ostvarilo spajanje atomskih jezgara. Sledeći korak biće pilot-projekat elektrane koja će prvi put snabdevati mrežu fuzionom električnom energijom.

Očekuje se da za 10 do 15 godina fuziona energija postane i praktično upotrebljiva. To bi dovelo do proizvodnje ogromne količine ekološke energije bez ikakvih negativnih efekata i eliminisalo potrebu za korišćenjem skupih fosilnih goriva (koje prati emisija ugljen-dioksida), kao i dalji negativan uticaj na klimatske promene. Najrealnija obećanja takvog scenarija nude dostignuća ostvarena na čuvenom Tehnološkom institutu iz Masačusetsa (MIT).

MIT i superprovodni magneti

Pre nešto više od godinu dana MIT je napravio pravi proboj u ovoj oblasti. Na ovom Institutu aktivno se radi već decenijama na razvoju sistema fuzione energije. Istraživanja se obavljaju u okviru Centra za fuziju plazme (Plasma Fusion Center – PFC), koji je osnovan 1976. godine, a kasnije je promenio naziv u Plasma Science and Fusion Center – PSFC. Istraživanja u okviru ovog centra bila su usmerena ka izgradnji tokamak reaktora Alcator (serije A, C i C-Mod). Za izgradnju poslednjeg iz serije Alcator C-Mod tokamaka obezbeđeno je 50 miliona dolara u saradnji s kompanijom Eni iz Italije. Reaktor je funkcionisao do 2016. godine i značajno proširenju znanja o procesu fuzije.

Očekuje se da za 10 do 15 godina fuziona energija postane i praktično upotrebljiva. To bi dovelo do proizvodnje ogromne količine ekološke energije bez negativnih efekata i eliminisalo potrebu za korišćenjem skupih fosilnih goriva

Od 2018. godine MIT sarađuje s kompanijom Commonwealth Fusion Systems iz Kembridža. Uz finansiranje kompanije Eni, počelo se s razvojem SPARC tokamak sistema zasnovanog na savremenim superprovodnim magnetima otpornim na visoke temperature, kako bi se ostvarila neto energija fuzije u jednom kompaktnom uređaju. To su YBCO superprovodnici (itrijum-barijum-bakar-oksid). YBCO je porodica kristalnih hemijskih jedinjenja koja pokazuje superprovodljivost na visokim temperaturama – prvi materijal koji pokazuje superprovodljivost iznad tačke ključanja tečnog azota – 77 K. Superprovodni magneti su elektromagneti napravljeni od superprovodne žice. U toku rada moraju se ohladiti na kriogene temperature, a u svom superprovodnom stanju žica nema električni otpor pa može provoditi mnogo veću električnu struju od obične.

Superprovodljivi elektromagnet generiše magnetno polje jačine 20 T, što je najjače polje tog tipa na Zemlji, a pritom ima potrošnju od samo 30 W. Svojim dejstvom ovi elektromagneti drže proces (fuziju) u centru reaktora, onemogućavajući na taj način da ona dođe u dodir s bilo kojim delom reaktora i uništi ga svojom ogromnom temperaturom. Magneti su i u ranijim sistemima korišćeni sa istim ciljem, ali nisu bili tako malih dimenzija i zahtevali su puno energije. S malim magnetima koji stvaraju jako magnetno polje postoji mogućnost da bilans fuzione elektrane bude pozitivan.

Za i protiv fuzione energije

Poslovni svet širom planete prepoznao je značaj i potencijal istraživanja i primene fuzione energije. U toku 2021. godine u njen razvoj na globalnom nivou uloženo je tri milijarde dolara, što je više od ukupne sume uložene u prethodnoj deceniji (dve milijarde). Zanimljivo je da su tome, s dve milijarde dolara, značajno doprineli Bill Gates, osnivač Microsoft-a i Jeff Bezos, osnivač Amazon-a. Više od 93 odsto kompanija koje su učestvovale u istraživanjima veruje da će do 2030. godine fuziona energija snabdevati strujom električne mreže.

Poznata imena iz poslovnog sveta priključila su se investiranju u razvoj fuzione energije, stvarajući preduslove za nastanak novog doba fuzije – Neal i Linden Blue (General Atomics), Steve Jurvetson (član uprave SpaceX i Tesla) i mnogi drugi. Zahvaljujući tome, širom sveta već postoji oko 150 tokamak sistema, a internacionalni program ITER podržavaju Evropska unija, SAD, Rusija, Kina, Japan, Indija i Južna Koreja.

Ima i onih koji misle drugačije. Jedan od njih je Elon Musk (Tesla, SpaceX), koji nije ubeđen u prognoze vezane za fuzionu energiju. Smatra da bi ta tehnologija bila preskupa, s obzirom na poteškoće u dobijanju i transportu izvornog goriva, kao i za održavanje reaktora. Po njemu, bolje je držati se dobre stare solarne energije i energije vetra, a u slučaju da njih nema, osloniti se na baterije. Ovo mišljenje ne predstavlja iznenađenje, s obzirom na to da Musk forsira upravo one vrste energije na kojima su zasnovani njegovi Tesla automobili.

Autor: Nadežda Veljković