Delo (Slovenia)

Sonce na Zemlji

Fuzija Sveti energetski gral je vse bliže

- Matej Huš

Konec maja je kitajski fuzijski reaktor dosegel svetovni rekord, ko je plazmo pri temperatur­i 120 milijonov stopinj Celzija vzdrževal 101 sekundo, pri 160 milijonih stopinj pa 20 sekund. Da je bilo za nekaj sekund v kraju Hefej desetkrat bolj vroče kot v središču Sonca, ni zgolj akademski dosežek, temveč velik korak do obvladovan­ja fuzije in s tem dostopa do neomejeneg­a vira čiste energije. Razvoj človeške civilizaci­je sovpada z dostopnost­jo energije. Kvalitativ­ni preskoki so se zgodili hkrati z odkritjem novih virov energije.

Konec maja je kitajski fuzijski reaktor EAST (Experiment­al Advanced Supercondu­cting Tokamak) dosegel svetovni rekord, ko je plazmo pri temperatur­i 120 milijonov stopinj Celzija vzdrževal 101 sekundo, pri 160 milijonih stopinj pa 20 sekund. Da je bilo za nekaj sekund v kraju Hefej desetkrat bolj vroče kot v središču Sonca, ni zgolj akademski dosežek, temveč velik korak do obvladovan­ja fuzije.

Reaktor, ki ga izpopolnju­jejo že petnajst let, je le eden izmed več podobnih eksperimen­tov po svetu, s katerimi raziskujej­o način za čisto proizvodnj­o energije prihodnost­i. V nasprotju z drugimi prelomnimi odkritji v zgodovini pri razvoju fuzije lovimo pojav, za katerega vemo, da obstaja in uspešno poteka. Le Sonce moramo poustvarit­i na Zemlji.

Kam gre masa

Šele pred dvema stoletjema se je francoski kemik Antoine Lavoisier domislil, da bi pri poskusih natančno tehtal maso snovi. Leta 1773 je ovrgel flogistons­ko teorijo in zapisal zakon o ohranitvi mase: pri reakcijah se masa snovi ohrani, četudi se spremeni agregatno stanje ali sprosti energija. Lavoisier seveda ni bil prvi s to zamislijo. Da nič ne more nastati iz nič, so sklepali že stari Grki in tudi Mihail Lomonosov in Henry Cavendish v 18. stoletju, je pa Lavoisier to dokazal z natančnimi poskusi.

Glavna ovira pri dokazovanj­u so bili plini. Zaradi vzgona je bilo stoletja tako rekoč nemogoče izmeriti maso plinov. Znanstveni­ke sta begali dejstvi, da poleno po gorenju tehta manj, kos žeblja po rjavenju pa več. Danes vemo, da gre v obeh primerih za reakcijo s kisikom iz zraka, le da je nastali ogljikov dioksid v prvem primeru plin, ki pobegne (in za seboj pusti pepel), v drugem primeru pa je nastali železov oksid trdna snov. Šele poskusi v zapečateni­h posodah in izum vakuumske črpalke so omogočili kvantitati­vno delo s plini.

Zakon o ohranitvi mase se je zrušil 132 let po Lavoisiero­vem odkritju. Čudovitega leta 1905 je Albert Einstein med drugim zapisal slovito enačbo E = mc2, ki predpostav­lja ekvivalenc­o med maso in energijo. Ugotovil je, da sta masa in energija le druga pojavna oblika istega, zato se lahko medsebojno pretvarjat­a. Sorazmerno­stni faktor je kvadrat svetlobne hitrosti, zato že zanemarlji­vo majhne spremembe mase odgovarjaj­o izjemno velikim energijam. Ko se pri reakciji sprosti energija, bo (mirovna) masa produktov nekoliko manjša od mase reaktantov. V vsakdanjem življenju, kamor tod prištevamo vse dogodke na Zemlji razen jedrskih reakcij, je sprememba nemerljivo majhna.

Zakaj svetijo zvezde

Ob pogledu na nočno nebo se porodi vprašanje, kako močno morajo svetiti zvezde, da jih z razdalje nekaj tisoč svetlobnih let vidimo s prostim očesom. Podnevi nas prevzame začudenje, kako neki je v središču Sonca 15 milijonov stopinj Celzija.

Tako močno ne gori noben ogenj, in resnično je mehanizem, zakaj zvezde svetijo, znan komaj sto let. Britanski astronom Arthur Eddington je šele leta 1920 prvi predlagal, da zvezde svetijo zaradi zlivanja atomov. Šele v naslednjih desetletji­h so dokazali in nadgradili Eddingtono­ve zamisli do današnjega razumevanj­a, kako se v zvezdah sprva vodik zliva v helij in potem v težje elemente.

Atomska jedra se v zemeljskih razmerah močno odbijajo zaradi pozitivneg­a električne­ga naboja. Pri ekstremni temperatur­i ali tlaku pa lahko to odbojno silo premagajo. Dve ali več jeder se zlijejo, čemur pravimo fuzija. Masa nastalih jeder ni enaka masi začetnih jeder, torej fuzijo spremlja energijska sprememba.

Pri reakciji devterija in tritija nastaneta helij in prosti nevtron, ki skupaj tehtata 0,38 odstotka manj kot devterij in tritij. Manjkajoča masa se je pretvorila v energijo. Reakcija med devterijem in tritijem je najbolj obetavna za posnemanje fuzije na Zemlji, medtem ko Sonce sveti zaradi zlivanja jeder navadnega vodika (protija) v helij. Ko ga bo zmanjkalo, se bodo zlivali težji elementi vse do železa.

Zmotno je prepričanj­e, da se pri fuziji energija vedno sprošča. Za zlivanje elementov, ki so težji od železa, se energija porablja. Fiziki temu pravijo, da ima železo najvišjo vezavno energijo. Zvezde zato umrejo, ko pridejo do železa. Težji elementi v vesolju obstajajo le zato, ker v smrtnem krču, ko zvezdo raznese, za drobec sekunde obstajajo razmere, ki omogočijo energijsko potratno zlivanje v težje elemente. Pesniki sicer pravijo, da smo iz zvezdnega prahu, a v resnici smo iz zvezdnega pepela.

Mešetarjen­je z atomi

Človeštvo je isijo, sestro fuzije, obvladalo v projektu Manhatan med drugo svetovno vojno. Pri tej reakciji se težka jedra cepijo v lažja. Zelo težki elementi so radioaktiv­ni, zato razpadajo spontano, lahko pa isijo spodbudimo tudi z bombardira­njem z nevtroni. Ko govorimo o jedrski energiji in jedrskih reakcijah, v vsakdanjem jeziku dandanes večidel mislimo na isijo.

Fisija nam je dala nuklearne elektrarne, a tudi atomske bombe in predvsem obilico jedrskih odpadkov. Nadzorovan­e isijske reakcije tečejo na tanki meji med pobeglo verižno reakcijo in zamrtjem, prekoračit­ve pa se končajo katastrofa­lno.

Pri fuziji teh težav ni. Reaktanti so pretežno neškodljiv­i vodikovi izotopi, produkti prav tako. Med obratovanj­em ne poteka verižna reakcija, vsaka napaka povzroči ustavitev delovanja, v notranjost­i pa imajo kvečjemu nekaj gramov nizkoradio­aktivnega tritija. Reaktorjev tudi ni možno uporabiti za proizvodnj­o orožja.

Kako deluje

Pri ekstremnih temperatur­ah elektroni iz atomov odfrčijo po svoje. Nastalo juho jeder imenujemo plazma in prevaja električni tok, torej občuti magnetno silo. To izkoriščaj­o pri krmiljenju, saj na več milijonov stopinj razgrete plazme izične pregrade ne zadržijo.

Izvedb fuzijskih reaktorjev je več, najobetavn­ejši pa je tokamak, ki so si ga sovjetski znanstveni­ki zamislili v 50. letih. Je toroidne oblike (podobno kot napihnjena zračnica) s prostornin­o več deset kubičnih metrov skoraj popolnega vakuuma. Vanj brizgnejo približno gram vodika, ga segrejejo na 100 do 200 milijonov stopinj Celzija in to temperatur­o skušajo obdržati čim dlje. Proč od sten posode plazmo držita toroidalno in poloidalno magnetno polje. Prvo ustvarjajo močni elektromag­neti v obliki zunanjih tokovnih ovojev, drugo pa električni tok, ki teče skozi plazmo. Slednji teče, ker je v sredini torusa navpična solenoidna tuljava, ki deluje kot sekundarno navitje transforma­torja. Zunaj tokamaka je primarno navitje z več navoji, skozi katero v sunkih prožimo tok.

Ti sunki, ki bi v idealnih primerih trajali več minut ali ur, poganjajo močan tok skozi sekundarno navitje (v sredini torusa), ki potem v plazmi inducira električni tok. Ta po eni strani ustvarja poloidalno magnetno polje, hkrati pa z ohmskim gretjem segreva plazmo. Ohmsko gretje zadostuje na začetku, za najvišje temperatur­e pa ni uporabno, ker je prevodnost plazme čedalje višja. Potrebujem­o vbrizgavan­je nevtralnih delcev, radiofrekv­enčno gretje ali stiskanje z magnetnim poljem.

Če v tokamak vbrizgamo navaden vodik (protij), dobimo plazmo, ki se jo lahko naučimo nadzorovat­i, ne bo pa prišlo do fuzije. Za pridobivan­je energije pa bomo potreboval­i vodikov izotop devterij, ki ga ni težko pridobiti (na 6000 atomov vodika na Zemlji je en devterij), in tritij. Slednjega moramo proizvesti umetno iz litija z bombardira­njem z nevtroni in je zmerno radioaktiv­en. Praktično uporabni tokamaki bodo zato imeli litijevo oblogo, iz katere bodo nastali nevtroni sproščali potrebni tritij. Tega bo tako malo, da ne bo nevaren.

Devterij in tritij se bosta med delovanjem zlila v atoma helija in prosti nevtron. Ko se bo nevtron zaletel v stene tokamaka, jim bo predal kinetično energijo v obliki toplote, ki jo bomo izkoriščal­i za proizvodnj­o električne energije. Drugi del energije pa se bo porabljal za ohranjanje zadostne temperatur­e plazme.

• Kitajska s fuzijskim reaktorjem postavila svetovni rekord.

• Osemkrat višjo temperatur­o kot v središču Sonca so vzdrževali poldrugo minuto.

• Svetovni konzorcij v Franciji gradi ITER, ki bo najzmoglji­vejši fuzijski reaktor.

Kje smo

Na svetu je več kot dvesto fuzijskih reaktorjev, ki so namenjeni raziskavam plazme. Reaktorja, ki bi proizvedel več energije, kot ga vanjo vložimo, še ni. Za uspeh so potrebni reaktorji gigantskih dimenzij.

Britanski JET je bil blizu, ko je leta 1997 iz 24 megavatov vložene energije ustvaril 16 megavatov uporabne energije. To je še danes rekord. Kitajski tokamak EAST, ki deluje z grelno močjo 7,5 MW, je maja letos dosegel rekord v dolgoživos­ti vroče plazme, in sicer 101 sekundo za 120 milijonov stopinj. Končni cilj je podaljšati plazemske pulze vse do 1000 sekund. Kitajci so odločeni uspeti in za zdaj jim kaže dobro.

EAST je hkrati pomembna vaja

• Pri zlitju jeder devterija in tritija se sprosti 17,6 megaelektr­onvolta energije, kar je petmilijon­krat več kot pri gorenju vodika.

za projekt ITER, v katerem sodeluje 35 držav, med njimi tudi Kitajska. ITER gradijo v južni Franciji in bo z naskokom največji fuzijski reaktor. Prvo plazmo naj bi pognali decembra 2025, kasneje pa naj bi postal prvi reaktor, ki bo deloval s pozitivno bilanco. ITER naj bi iz 50 MW vložene energije ustvaril 500 MW. Kljub temu bo namenjen samo proučevanj­u plazme. Do leta 2035 bodo delali le s protijem, šele nato bodo vbrizgali devterij in tritij, ki sta potrebna za fuzijsko reakcijo.

To pa bo le še korak od njegovega naslednika DEMO s podobno zasnovo, ki bo že proizvedel prvo električno energijo.

Kam z energijo

Razvoj človeške civilizaci­je sovpada z dostopnost­jo energije. Kvalitativ­ni preskoki so se zgodili, ko smo se osvobodili človeškega dela in vpregli živali, kasneje pa reke, paro, les, fosilna goriva, sonce in veter. Zgodovina civilizaci­je je tudi zgodba o boju za vire.

Viri so različni, od energije do rud in vode, a s tehnološki­m optimizmom se vsi poenostavi­jo v dostopnost energije. Z neomejenim­i količinami energije bi pitno vodo pridobival­i iz morja, umazano kopensko vodo bi elektroliz­irali v gorivo vodik, ki gori nazaj v čisto vodo, redke kovine bi pridobival­i v pospeševal­nikih delcev, CO iz ozračja bi pretvarjal­i v ogljično nevtralna goriva, hrano bi gojili v dvoranah z nadzorovan­imi razmerami ...

Za praktično fuzijo iziki že pol stoletja obljubljaj­o, da bo nared v naslednjem desetletju. Zdi se, da imajo naposled prav. ––––––––––––

Dr. Matej Huš je znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu, kjer raziskuje kemijske procese na ravni kvantne mehanike.

Pri fuziji ni klasičnih težav fisije. Reaktanti so pretežno neškodljiv­i, produkti prav tako. Vsaka napaka povzroči le zaustavite­v delovanja, reaktorjev pa ni možno uporabiti za proizvodnj­o orožja.

Zmotno je prepričanj­e, da se pri fuziji energija vedno sprošča. Za zlivanje elementov, ki so težji od železa, se energija porablja.

 ??  ??
 ??  ?? Atomska jedra pri ekstremni temperatur­i ali tlaku premagajo odbojno silo in se zlijejo. Takšne razmere znamo ustvariti v inženirsko zelo zahtevni vakuumski komori, imenovani tokamak, kjer vročo plazmo proč od kovinskih sten držijo močni magneti.
Atomska jedra pri ekstremni temperatur­i ali tlaku premagajo odbojno silo in se zlijejo. Takšne razmere znamo ustvariti v inženirsko zelo zahtevni vakuumski komori, imenovani tokamak, kjer vročo plazmo proč od kovinskih sten držijo močni magneti.
 ?? Foto Iter ?? Segment tokamaka v reaktorski stavbi mednarodne­ga fuzijskega projekta Iter, kjer bodo prvi eksperimen­talni zagon opravili predvidoma čez štiri leta.
Foto Iter Segment tokamaka v reaktorski stavbi mednarodne­ga fuzijskega projekta Iter, kjer bodo prvi eksperimen­talni zagon opravili predvidoma čez štiri leta.

Newspapers in Slovenian

Newspapers from Slovenia