Mašine sa jezgrovitim sagorevanjem

Prethodnog meseca, uprkos nevoljama koja su došle sa globalnom finansijskom krizom, Evropska komisija je donela odluku da, umesto samo jednog, pokrene dva istraživačka poduhvata za kontrolisano dobijanje energije iz nuklearne fuzije. Tako će se na tlu Evrope u sledećoj polovini veka razvijati i drugi izuzetno skup, međunarodni fuzioni reaktor.

Cilj je da se, za razliku od uobičajenih, fisionih reaktora, napravi znatno moćnija i čistija elektrana koja gotovo ni iz čega daje čudovišne količine energije. Dok je fisija proces cepanja atomskog jezgra pri kome se oslobađa ogromna energija, fuzija je proces spajanja koji daje još veće količine energije. Takav proces se neprekidno odigrava na zvezdama, a najbliži prirodni fuzioni reaktor je Sunce.

VRUĆ VODONIK: Fuzione elektrane bi kao gorivo koristile samo vodonik (H), koga ima svuda unaokolo, što po Zemlji, što po univerzumu. Sama fuzija je proces u kome se jezgra vodonika, tačnije jezgra njegove sabraće, odnosno izotopa deuterijuma (H2) i tricijuma (H3) „spajaju“ gradeći helijum, koji je inertan gas i bezopasan kao otpad.

Nažalost, i fuzija i fisija su prvobitno razvijene za proizvodnju nuklearnih bombi tokom i posle Drugog svetskog rata. Istraživanja fuzije su započela još tridesetih godina, ali su 1951. godine usmerena na vojne potrebe zahvaljujući radovima opskurnog fizičara Edvarda Telera, oca termonuklearne bombe. Najpoznatiji primerci u istoriji ovih oruđa su Telerova američka bomba „Castle Bravo“ od pet megatona, koja je 1954. godine isprobana na Bikini arhipelagu, kao i sovjetska „Car“ bomba od 50 megatona koja je isprobana 1961. godine. Obe su, kao i sva potonja termonuklearna oružja, fisionu bombu koristile kao upaljač za paljenje plazme.

Samo je fisija dobila mirnodopske namene. Svi pokušaji da se energija fuzije zauzda i nekako primora da pokrene turbinu generatora nailazili su na nepremostive tehnološke prepreke. Počev od prvih „Zeta“ reaktora koje su od 1954. sledeće četiri godine koristili i Sovjeti i Amerikanci, preko čuvenog „Tokamaka“ sovjetskih naučnika Andreja Saharova i Igora Tama iz 1968, sve do združenog evropskog reaktora JET iz 1978, engleskog „Starta“ iz 1991, američkog reaktora TFTR iz 1994, francuskog „Tore Supra“ iz 1996. i japanskog „JT-60“ iz 1998. godine, nijedan reaktor se nije pokazao uspešnim. A sada, usred Evrope, odjednom dobijamo dva nova fuziona reaktora.

CENA SVETOG GRALA: Trenutno se u istraživačkom centru Kadaraš kod Marseja već priprema izgradnja Međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora, poznatog po akronimu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). U njegovu izgradnju uključeni su EU, SAD, Ruska Federacija, Japan, Kina, Kanada i Republika Koreja. Očekuje se da će ukupno koštati 9,3 milijarde dolara, a planirano je da se razvija i gradi narednih 30 godina.

No, otvara se još jedan kolosek u pokušajima Evrope da ovlada fuzijom. To će biti postrojenje za istraživanje energije superjakih lasera, poznato kao HIPER (HIgh Power laser Energy Research) u čiju je gradnju uključeno 25 naučnih ustanova iz 11 država. Početno ulaganje Evropske unije iznosi 13 miliona evra, uz dodatnih 50 miliona koje će obezbediti zemlje članice kroz opremu i ljudstvo. Pripremna faza projekta će trajati do 2011, a njegovo pokretanje se predviđa posle 2020. godine.

U sadašnjem stanju, ITER i novi HIPER izgledaju kao projekti o kojima je teško razmišljati bez doze naučnofantastičnog pogleda na svet. Oba pokušavaju da dostignu već 40 godina neostvareni cilj ovladavanja nuklearnom fuzijom koja se naziva „svetim gralom“ energetskih izvora. U suštini, nema garancije da će se ovog puta uspeti, kad se ima u vidu koliko je tokom XX veka bilo propalih pokušaja da se ostvari stabilna plazma i dugotrajna kontrolisana fuzija koja će omogućiti proizvodnju više energije nego što će potrošiti za svoje održanje.

No, nisu naivni finansijeri koji su spremni da decenijama ulažu ogromne sume u ne jedan, nego dva projekta gde se ni kod jednog rezultat ne vidi jasno. Ulaganjem u dva tehnološka koncepta sa istim ciljem, podižu verovatnoću da će bar u jednom slučaju dobiti upotrebljiv reaktor. Uz to, od oba projekta se očekuje dobit kroz raznovrsna usputna nova tehnološka i naučna saznanja koja će se logično desiti tokom trideset godina velikih istraživanja.

SPAJANJE REŠENJA: Ali, zašto se uopšte razvijaju bilo kakvi fuzioni reaktori? Odgovor je jednostavan – zato što za ono što se naziva „dugoročna energetska stabilnost“ nema drugog rešenja. Zapravo, cela ideja je da čovek za svoje potrebe, umesto što samo transformiše razne oblike energije koja je u krajnjoj liniji na Zemlju došla sa Sunca, počne da sam izvodi ono što Sunce radi.

Bez obzira na trenutno aktuelnu atomsku renesansu, ni sadašnji fisioni reaktori nisu naročito omiljeni kao „trajno rešenje“ zbog strepnje od ponavljanja Černobilja, a nije zanemarivo ni to što proizvode radioaktivni otpad, što nije slučaj kod termonuklearnih postrojenja. Sa druge strane, fuzioni reaktori zaista obećavaju dramatično više energije – pri fisiji jednog kilograma radioaktivnog izotopa uranijuma U235 dobija se energija kao pri sagorevanju 65 tona visokokaloričnog uglja, a pri fuziji jezgara deuterijuma i tricijuma u jezgro helijuma kao pri sagorevanju više od 10.000 tona tog istog uglja.

To bi u praksi značilo da bi samo jedna fuziona elektrana mogla da zameni čak 170 fisionih nuklearnih reaktora kakav sada postoji u Krškom u Sloveniji. S druge strane, sve sadašnje srpske termoelektrane i hidrocentrale mogle bi da budu zamenjene jednim fuzionim reaktorom koji bi podmirivao godišnju potrošnju električne energije u Srbiji kad bi radio samo sa pet odsto kapaciteta.

SUNCE U POSUDI: Posmatrano laički, problem s kojim su se suočila sva dosad nuđena fuziona rešenja bilo je nepostojanje „posude“ koja ne bi sagorela (bolje reći, iščezla) kad se u njoj formira plazma vrela sto miliona stepeni. A svaka alternativa u „magnetnim posudama“ – kakav je, na primer, bio stari sovjetski „Tokamak“ i njegovi naslednici – u praksi se pokazivala kao nezgodna, jer je plazma bila suviše nestabilna ili je potrošnja struje za održanje magnetnog polja često bila veća od dobijene.

Sa sve većim ulaganjima u ova istraživanja, kontrolisanje fuzije je postalo sve više moguće. Reaktor ITER koji se podiže u francuskom Kadarašu i najavljeni HIPER, za koji se očekuje da bude podignut negde u Velikoj Britaniji, pristupaju problemu održanja plazme na sasvim različite načine.

ITER je reaktor za „magnetnu fuziju“, jedan iz porodice Tokamaka, gde se vrela plazma zadržava magnetnim poljem koje ima tiroidni oblik poput đevreka. S druge strane, HIPER je postrojenje bazirano na ideji da se fuzija izazove izuzetno snažnim laserom i predstavlja reaktor sa takozvanom inercijalnom fuzijom.

Kod HIPER-a se fuzija, uslovno rečeno, pali tako što se laserskim snopovima izuzetne snage (kao električna mreža jedne države) gađa omotač smese sačinjene od deuterijuma i tricijuma koja je postavljena u jednu minijaturnu loptu. Time se, u fazi implozije, dok uradni talas potekao od lasera ide ka centru lopte, ona sabija na toliku gustinu da temperatura dostiže potrebnih sto miliona stepeni. Tu dolazi do termonuklearne eksplozije i širenja, oslobađa se mnogo veća energija od uložene, a helijumova jezgra i druge čestice nastale u fuziji kreću se ka zidovima. Potom sledi novi udar laserskih snopova i postupak se ponavlja.

Cela ova stvar se odvija u prostoru veličine tablete, mada se može uporediti sa eksplozijom prave termonuklearne bombe ili čak evolucijom zvezde. No, najzanimljivije poređenje daju u samom HIPER-u, predlažući da se zamisli automobilski motor sa unutrašnjim sagorevanjem. Naime, postupak paljenja, sabijanja plazme i njenog širenja sasvim liči na „taktove“ u motoru koji pri eksploziji benzina pokreću klipove cilindra.

Tako će HIPER zapravo biti i termonuklearna i elektrana sa unutrašnjim sagorevanjem. Mada su pionirska istraživanja ove vrste kontrolisane fuzije započela još 1972, moglo bi se ipak reći da je tokom svih onih pokušaja da se načini fuzioni reaktor ovo rešenje stajalo parkirano ispred samih laboratorija.

Fizika koja leži u pozadini celog tog mehanizma eksperimentalno je potvrđena tokom američkih vojnih istraživanja. A mogućnost da se dobije električna energija biće proverena pre nego što uopšte bude položen kamen temeljac u HIPER – američki čisto eksperimentalni projekat NIF (National Ignition Facility) testiraće inercijalnu fuziju u periodu između 2010. i 2012. godine. Potom će se samo čekati na HIPER.