FUZIJSKA energija već desetljećima slovi kao sveti gral čiste energije koja se može dobiti iz vodika, koji je jeftin i dostupan u praktički neiscrpnim količinama.

No konkretni koraci prema njezinoj komercijalnoj primjeni dosad su nailazili na brojne prepreke.

>>FUZIJSKI REAKTOR Nijemci potvrdili da njihov "beskonačan izvor energije" funkcionira

Nedavno je na tom putu veliki pomak objavila njemačka kompanija Proxima Fusion, startup koji je nastao kao izdvojeni projekt Instituta Max Planck. Predstavnici tvrtke tvrde da su riješili ključne tehnološke probleme te da bi njihov fuzijski reaktor tipa stelarator uskoro mogao postati prvi komercijalni uređaj takve vrste na svijetu.

Što je stelarator?

Stelarator je vrsta fuzijskog reaktora koji za kontrolu plazme (superzagrijanog plina u kojem dolazi do fuzije atomskih jezgri) koristi kompleksno oblikovana magnetska polja (video dolje).

Riječ je o tehnologiji za postizanje kontrolirane nuklearne fuzije na Zemlji koja se razvija paralelno s poznatijom tehnologijom reaktora koji se zovu tokamak.

Što je fuzija?

Fuzija je proces u kojem se lagane atomske jezgre, najčešće izotopi vodika poput deuterija i tricija, spajaju u jednu težu jezgru helija, pri čemu se oslobađa ogromna količina energije. Taj višak energije dolazi od razlike u masi između početnih jezgara vodika i nastale jezgre helija - dio mase pretvara se u energiju prema Einsteinovoj formuli E = mc². Primijetite da čak i mala masa stvara golemu energiju jer se množi s velikom brzinom svjetlosti, i to na kvadrat.

Zašto je fuziju teško ostvariti na Zemlji?

Fuzija se u prirodi najčešće zbiva u zvijezdama. Na Zemlji ju je teško postići jer zahtijeva visoke tlakove i ekstremne temperature kako bi se jezgre atoma dovoljno približile da prevladaju međusobno odbijanje.

Dva pozitivno nabijena protona iz jezgara vodika međusobno se odbijaju zbog tzv. Coulombove sile. Ako su temperature i pritisci dovoljno visoki (poput onih u Suncu ili fuzijskom reaktoru), jezgre dobiju toliku kinetičku energiju da probiju tu odbojnost i dođu ekstremno blizu - unutar otprilike 10^-15 metara.

Kada su tako blizu, na scenu stupa jaka nuklearna sila koja je nevjerojatno snažna, ali kratkog dometa. Unutar tog malog razmaka, ona je jača od elektrostatskog odbijanja protona pa veže jezgre zajedno. Rezultat je da se jezgre vodika spajaju u jezgru helija.

Na Zemlji je dodatni problem stabilno zadržavanje super-vruće plazme, koja stalno "bježi" iz magnetskih polja i prijeti da ošteti stijenke reaktora.

Koja je razlika između tokamaka i stelaratora?

Ključna razlika između stelaratora i tokamaka je u načinu stabilizacije plazme. Tokamaci drže plazmu pod kontrolom pomoću magnetskih polja samog tokamaka te magnetskih polja koja nastaju unutar same plazme. Ovo potonje zahtijeva neprekidno kruženje plazme, što se postiže induciranjem snažnog strujanja plazme neprekidnim povećavanjem struje u središnjoj zavojnici usred tokamaka. Za funkcioniranje tokamaka nužno je i vrlo precizno upravljanje plazmom koja rotira u tokamaku radi suzbijanja njezinih izboja.

Dr. sc. Tonči Tadić, nuklearni fizičar s Instituta Ruđer Bošković, kaže da današnji tokamaci mogu održavati fuziju dulje od deset minuta, no da je stabilnost plazme i dalje ograničena.

"Također, magnetska polja iziskuju veliki broj glavnih i korektivnih zavojnica, dok induciranje struje u plazmi povećavanjem struje u centralnoj zavojnici ipak ne može ići u beskonačnost. Tokamak, dakle, nužno djeluje pulsno, odnosno čarolija plazme traje dok traje induciranje struje u plazmi i kruženje plazme", tumači.

Prednosti stelaratora

Stelaratori, poput njemačkog Wendelsteina 7-X, sagrađenog 2015. u Greifswaldu u istočnoj Njemačkoj, riješili su taj problem složenijom geometrijom reaktora i precizno oblikovanim zavojnicama koje stvaraju stabilno magnetsko polje bez potrebe za induciranim strujama u plazmi i bez kruženja plazme. Zahvaljujući tome, stelaratori mogu raditi u neprekidnom režimu i potencijalno održavati fuziju satima.

Zbog tih prednosti, stelaratori bi uskoro mogli postati učinkovitije i stabilnije rješenje od tokamaka, možda čak i prije nego što ITER krene u puni rad.

Tko u Europi razvija stelaratore?

S obzirom na kompleksnost magnetskih polja u stelaratoru nije čudno što nema puno zemalja koje se upuštaju u njihov razvoj.

Tadić kaže da je zanimljivo da je najveći stelarator u svijetu, sve do puštanja u pogon njemačkog Wendelsteina 7-X, bio ukrajinski Uragan 3M, sagrađen u Harkivu još 1982.

"Osim navedenih, u Madridu je 1998. sagrađen nešto manji stelarator TJ-II. U Euratomu zato razvoj stelaratora predvode Njemačka, Ukrajina i Španjolska", pojašnjava Tadić.

Što je donijelo preokret?

Kompanija Proxima Fusion nastala je upravo iz napretka postignutih na eksperimentalnom stelaratoru Wendelstein 7-X u Njemačkoj. Riječ je o najvećem i najnaprednijem stelaratoru na svijetu, čiji su prvi eksperimenti pokazali da mogu postići stabilnu plazmu i zadržavati je dovoljno dugo za ozbiljna istraživanja.

No, problem do sada nije bio samo u održavanju plazme, nego i u preciznosti gradnje. Zavojnice koje oblikuju magnetska polja u stelaratorima moraju biti izrađene s gotovo savršenom točnošću, uz odsutnost svake simetrije.

Tadić kaže da uz pomoć računalno modeliranih zavojnica plazma u stelaratoru poprima oblik rotirajućeg svrdla koje putuje u krug.

"Drugim riječima, čestice u plazmi imaju iste putanje kao u tokamaku, ali bez potrebe za induciranjem struje u plazmi. Štoviše, poželjno je da nema kruženja plazme kao u tokamaku, jer bi ono poremetilo brižljivo dizajnirana magnetska polja u stelaratoru", kaže Tadić.

Kompanija Proxima objavila je da je sada, zahvaljujući napretku u računalnom modeliranju i AI-u, preciznoj proizvodnji i naprednim materijalima uspjela riješiti ključne prepreke.

Osim toga, kompanija koristi najnovije metode optimizacije magnetskih polja, koje su omogućile manju potrošnju energije i učinkovitije hlađenje sustava.

Kada bismo mogli vidjeti prvu struju iz stelaratora?

Prema informacijama koje je objavila Proxima, njihov cilj je do 2031. godine pustiti u rad prvi prototip komercijalnog stelaratora. Ako sve bude teklo prema planu, on bi mogao postati temelj za izgradnju elektrana koje će proizvoditi energiju iz fuzije u gotovo neograničenim količinama, bez emisija stakleničkih plinova i s minimalnim radioaktivnim otpadom.

Može li stelarator doista pokrenuti energetsku revoluciju?

Ipak, Tadić upozorava da još uvijek ima problema koje treba riješiti.

"U prvom redu komora stelaratora nije kružno simetrična poput one u tokamaku, već ima neravne i valovite stijenke, pa je svaki remont izuzetno složen. Osim toga, plazma u njima ne ostavlja nakupljenu prašinu dolje na dnu u divertoru kao kod tokamaka, nego bočno, gore i dolje, na tzv. 'otočnim' divertorima", tumači Tadić.

No smatra da je ključna zapreka stelaratorima na putu do komercijalnog korištenja njihov volumen.

"Naime da bi se ostvario tzv. Lawsonov kriterij koji je u fuziji isto što i tzv. kritična masa u fisiji, drugim riječima uvjet za samostalnu samo-održivu fuzijsku reakciju, nužan je veliki volumen plazme, odnosno veliki broj čestica plazme.

Povećanje volumena stelaratora vodi pak do narušavanja brižljivo dizajniranih magnetskih polja te do još složenijih zavojnica i još neobičnije vakuumske komore povećanog stelaratora itd. No vjerujemo da će razvoj umjetne inteligencije savladati i taj problem", poručio je naš stručnjak za fuziju.