FUZIJSKI znanstvenici, okupljeni u jednom od najvećih istraživačkih konzorcija EUROfusion, ostvarili su novi rekord u stvaranju energije nuklearnom fuzijom, procesom kakav se odvija u Suncu.
Fuzija je svojevrstan sveti gral energetike jer bi se njome iz vodika mogla proizvoditi potpuno čista energija bez emisija CO2 i bez radioaktivnog ili drugog ekološki problematičnog otpada.
U novom eksperimentu ostvarenom na JET-u (Joint European Torus), najvećem i najmoćnijem operativnom fuzijskom uređaju - tokamaku - na svijetu, stvorena je energija od nevjerojatnih 59 megadžula. To je više nego dvostruko više od prethodnog rekorda od 22 megadžula, iz 1997. godine koji je također postavljen na JET-u.
Zanimljivo je da je za generiranje ove rekordne energije bilo potrebno samo 0.17 miligrama mješavine fuzijskog goriva teških izotopa vodika - oko 0.1 mg tricija i 0.07 mg deuterija. Za usporedbu, za proizvodnju iste količine energije iz fosilnih izvora trebalo bi 10 milijuna puta više goriva – oko 1.06 kg prirodnog plina ili 3.9 kg lignita.
Zašto je ovo važno postignuće?
Najveći tehnološki izazov fuzije je to što se gorivo mora moći dobro kontrolirati na golemim temperaturama, dakle u uvjetima koji su slični onima u središtu Sunca. Naime, fuzija, odnosno spajanje lakših atoma u teže, pokreće se tek u takvim ekstremnim uvjetima. Njih nije problem ostvariti u nuklearnoj eksploziji jer je njezina svrha razaranje, no problem je učiniti to u kontroliranim uvjetima i dugotrajno što je potrebno za stvaranje energije u termoelektranama. Primjerice, temperatura u srcu plazme u novom eksperimentu bila je 150 milijuna stupnjeva Celzija, što je oko 10 puta veća temperatura od one u središtu Sunca.
Novi rekord je značajno postignuće, jer prvi put pokazuje da je moguće proizvesti i održavati visoku razinu fuzije korištenjem točno onakve mješavine goriva deuterij-tricij (D-T) kakva se planira koristiti u budućim fuzijskim elektranama. JET je u tom smislu ključna ispitna stanica za početak rada Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER), jednog od najvećih kolaborativnih znanstvenih projekata u povijesti, koji se gradi na jugu Francuske, uz potporu sedam članica - Kine, Europske unije, Indije, Japana, Južne Koreje, Rusije i SAD-a.
Komentirajući novi rekord, glavni direktor ITER-a dr. Bernard Bigot rekao je:
''Trajni puls fuzije deuterij-tricij na ovoj razini energije, a riječ je skoro o industrijskim razmjerima, velika je potvrda svima uključenima u globalnu potragu za fuzijom. Rezultati s JET-a izuzetno su važni za ITER jer potvrđuju da smo na pravom putu prema demonstriranju pune snage i potencijala fuzijske energije."
U ovom trenutku JET je jedini uređaj te vrste koji može raditi s D-T gorivom, što ga čini idealnom lokacijom za pripreme za ITER.
Što je još važnije, novi je eksperiment omogućio detaljno proučavanje svih relevantnih procesa u trajnoj plazmi visoke energije. Glavni rezultat je vrlo dobro podudaranje između eksperimenata i računalnih modela. To znanstvenicima omogućuje da se pripreme za još ambicioznije eksperimente u ITER-u i drugim fuzijskim uređajima.
Raniji eksperimenti u postrojenjima diljem svijeta istraživali su sastojke goriva odvojeno, ne koristeći mješavinu D-T, nego čisti vodik ili deuterij. Ovo je prvi put da su stručnjaci za fuziju uspjeli sve spojiti i istražiti točno onakve uvjete kakvi se očekuju u budućim fuzijskim elektranama.
Za prelazak na višu snagu fuzije na dulje vremensko razdoblje, što će trebati učiniti u budućim elektranama, potrebni su veći i napredniji uređaji. Međunarodni projekt ITER ima za cilj demonstrirati 500 megavata fuzijske snage u trajanju do jednog sata.
Zašto je 5 sekundi dovoljno za ove eksperimente?
Stručnjaci u konačnici teže postići dugotrajno održavanje fuzije u stabilnom stanju. Novi eksperiment pokazao je da je moguće održati visoke razine fuzijske energije u trajanju od 5 sekundi. Ograničenje od 5 sekundi trenutno postavljaju bakrene zavojnice elektromagneta u JET-u jer se one tijekom rada zagrijavaju, pa je maksimalno moguće trajanje eksperimenta svega 20 sekundi. Toga neće biti u ITER-u jer će se u njemu koristiti supravodljivi magneti koji će se hladiti helijem na temperaturi od oko -269 °C. No, već i tih pet sekundi je deset puta dulje vrijeme od tipičnog vremenskog okvira procesa prijenosa topline unutar plazme.
Godine 1997. JET je postigao rezultate velike snage fuzije u trajanju od samo 0.15 sekundi. U novim eksperimentima u trajanju od 5 sekundi već se može vidjeti kako bi izgledali trajni uvjeti rada jer je njihove rezultate puno lakše ekstrapolirati na rad koji bi u ITER-u i budućim fuzijskim elektranama trajao satima.
Uloga hrvatskih znanstvenika u rekordu
U ostvarenju novog rekorda važnu ulogu odigrali su i hrvatski znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković (IRB).
Dr. sc. Tonči Tadić, voditelj hrvatskih fuzijskih aktivnosti u sklopu konzorcija EUROfusion te koordinator Savjeta europskog projekta DONES-PreP, kaže da su ovi rezultati potvrda da će ITER izvrsno raditi.
"U eksperimentima iz 1997. godine unutarnji oklop tokamaka JET koji je okrenut plazmi bio je načinjen od poroznih ploča od ugljičnih vlakana. Iako su one dobro izdržale temperature do 3000 ℃, jako su upijale fuzijsko gorivo - plinove deuterij i tricij - pa se reakcija 'gušila'. Ujedno se stvarala velika količina ugljične prašine koja je također apsorbirala fuzijsko gorivo. Od tada se nastojalo izbjeći upijanje goriva u stijenkama korištenjem oklopa od volframa i berilija, kakvi su korišteni i sada. Raniji eksperimenti provedeni su 2014. uz poseban oprez jer nije bilo jasno kakav je sastav fuzijske prašine u novim uvjetima, odnosno koliko ona apsorbira fuzijsko gorivo te je li samozapaljiva i eksplozivna", rekao je Tadić.
Upravo je u tom segmentu bila važna uloga hrvatskih znanstvenika.
"Sve te dvojbe otklonjene su u analizama čestica fuzijske prašine provedenima od 2017. do 2020. godine na ionskoj mikroprobi IRB-a, u suradnji s kolegama iz Velike Britanije, Švedske i Poljske. Moglo se, dakle, sigurno ići na jače grijanje plazme, veću količinu fuzijskog goriva i jaču fuzijsku reakciju. To je posebno važno za sigurnost rada ITER-a. Uloga Hrvatske, točnije IRB-a, bila je analiza čestica fuzijske prašine koja nastaje kad vruća fuzijska plazma udari u unutarnji oklop fuzijskog reaktora JET. Oklop je od 2014. napravljen od volframa s graničnicima od berilija. To je učinjeno da se smanji apsorpcija fuzijskog goriva u JET-u koje su ranije ploče oklopa načinjene od ugljičnih vlakana jako upijale. Unatoč tome što je s volframskim pločama prašine bilo manje te iako je upijanja goriva bilo manje, ipak se stalno nametalo pitanje sastava nove fuzijske prašine, upija li i ona gorivo i sl. To je bilo važno i za sigurnost ITER-a. Naime, svi eksperimenti na JET-u izvode se u konfiguraciji koja odgovara onoj kakva će biti u ITER-u. Pokazali smo da se fuzijska prašina mahom sastoji od volframa, s nešto berilija, ponešto nikla i željeza iz vakuumske posude tokamaka JET te vrlo malo fuzijskog goriva, što je bio dobar znak. Te ključne informacije omogućile su nastavak eksperimenata na JET-u, s većom energijom grijanja plazme i većim količinama fuzijskog goriva", pojasnio je Tadić.
Koji su budući planovi nakon rekorda na JET-u?
Rekord je ostvario tim od čak 4800 istraživača, stručnjaka, studenata i djelatnika iz cijele Europe u sklopu konzorcija EUROfusion, koji financira Europska komisija, a čiji su neizostavni dio eksperimentalni fizičari s IRB-a.
U procesu realizacije fuzije kao izvora energije, ključan korak je naučiti kako stvoriti i kontrolirati visokoenergetske plazme. Kako bi to postigli, znanstvenici provode eksperimente na uređajima kao što je JET, najveći operativni tokamak smješten u Upravi za nuklearnu energiju Ujedinjenog Kraljevstva.
No, Tadić kaže da je novi uspjeh, nažalost, bio "labuđi pjev" JET-a zbog Brexita.
"JET se priprema za dekomisiju u narednim godinama. Svi ovi podaci bit će korisni za planiranje eksperimenata na ITER-u. Unatoč covidu-19, ITER će ipak biti kompletiran početkom 2027. Sve do 2031. trebao bi raditi s plazmom helija, pojačavajući snagu grijanja plazme, pojačavajući volframski oklop i uz stalno učenje kako se plazma ponaša na 10 puta većem volumenu. To nisu linearni procesi. Tek nakon 2031. će se pristupiti dodavanju deuterija u ITER. Reakcija s deuterijem i tricijem u ITER-u očekuje se tek 2035. Kada ITER dobije "goruću plazmu" s D-T reakcijom, uz 10 puta veću izlaznu energiju od one uložene u grijanje plazme, bit će to uspjeh vrijedan Nobelove nagrade jer nakon toga više ništa neće biti isto", istaknuo je Tadić.