V tej objavi bomo raziskali, ali lahko fuzijska energija nadomesti tveganja, povezana z jedrsko energijo. Ta objava na blogu preučuje potencial fuzijske energije s poudarkom na njenih prednostih in izvedljivosti.
Uvod
Ste že slišali za korejski film 'Pandora'? Film prikazuje scenarij, v katerem jedrska elektrarna eksplodira zaradi največjega potresa v zgodovini, zaradi česar radioaktivni material uhaja v zrak in škoduje številnim ljudem. Spremlja prizadevanja za preprečitev sekundarne eksplozije in uhajanja radioaktivnih odpadkov zaradi slabe gradnje elektrarne. 'Pandora' prinaša lekcijo, katere cilj je ozaveščanje o tveganjih jedrskih nesreč, ki se jih ljudje morda ne zavedajo v celoti, in spodbujanje budnosti.
Proizvodnja jedrske energije – osrednja tema tega filma – se običajno imenuje »jedrska elektrarna«. Gre za metodo proizvodnje električne energije z uporabo pare, proizvedene iz energije verižne reakcije jedrske fisije, za pogon turbinskega generatorja. Fisijska reakcija, ki poganja jedrske elektrarne, je vrsta jedrske reakcije, pri kateri atomska jedra z visokimi masnimi števili – kot sta uran in plutonij – bodisi trčijo v nevtrone bodisi postanejo nestabilna in se razcepijo na manjša atomska jedra. Ko se masa jedra pred in po cepitvi zmanjša, se razlika v masi pretvori v energijo in sprosti.
Ko pa v jedrski elektrarni pride do jedrske fisije, nastanejo velike količine radioaktivnega materiala in veliko toplote, kar predstavlja veliko tveganje za večje nesreče. Jedrska nesreča v Černobilu leta 1986 je onesnažila večino Evrope s sevanjem, eksplozija v jedrski elektrarni Fukušima na Japonskem marca 2011 pa je razširila radioaktivni material po vsej Japonski in v Tihi ocean. Zaradi te nesreče se je jedro reaktorja stalilo, prebilo jekleno tlačno posodo in prodrlo v betonsko zadrževalno strukturo; velike količine vode, vbrizgane za hlajenje jedra, so stekle v ocean in onesnažile lokalno morsko hrano s sevanjem. Čeprav je minilo osem let, mnogi ljudje še vedno trpijo zaradi posledic sevanja, onesnaženo okolje pa se še ni vrnilo v prvotno stanje.
Zaradi prepoznavanja različnih vprašanj – kot so nevarnosti jedrske energije in polemike glede odlaganja radioaktivnih odpadkov, ki nastanejo med procesom proizvodnje energije – številne države izvajajo politike za zmanjšanje jedrske energije in razvijajo nove in obnovljive vire energije. Eden takšnih virov je energija jedrske fuzije.
Kaj je jedrska fuzija?
Oglejmo si proces jedrske fuzije, ki ustvarja energijo jedrske fuzije – vrsto obnovljive energije. Jedrska fuzija se nanaša na proces, pri katerem se jedra z lahkimi masami, kot je vodik, združijo in tvorijo težje jedro. Ker se vezavna energija, ki jo proizvajajo jedra, lažja od atoma železa, zmanjšuje z zmanjšanjem mase, so težja jedra običajno bolj stabilna. Razlika v vezavni energiji se kaže kot primanjkljaj mase, kar ustvarja ogromne količine fuzijske energije. Poleg tega se lahko celo jedra, težja od atoma železa, združijo, če se dovede zunanja energija, kar omogoči jedrsko fuzijo. Ko pride do fuzije, se nastala jedra ne razcepijo zlahka, tudi če se njihova energija med procesom delitve na dve jedri zmanjša. Ker je ta proces jedrske fuzije enak načelu, po katerem Sonce proizvaja svetlobo in toploto, se naprave za jedrsko fuzijo včasih imenujejo »umetna sonca«.
Zvezde, ki ustvarjajo lastno energijo in oddajajo svetlobo, kot je Sonce, uporabljajo reakcije jedrskega zlitja in obstajajo v ultra visokotemperaturnem plazemskem stanju, ki presega 100 milijonov stopinj. V tem stanju se atomska jedra združijo, kar sproži reakcije jedrskega zlitja, ki sproščajo energijo. V začetku 20. stoletja ljudje niso razumeli, kako Sonce neprekinjeno ustvarja tako ogromne količine sončne energije. V skladu z zakonom o ohranitvi energije mora biti količina energije, ki jo oddaja sončna površina, enaka količini energije, ki je prisotna v Soncu – podvig, ki je bil nemogoč z viri energije, znanimi takrat, kot sta les in premog. Kasneje, ko so raziskave pokazale, da Sonce pridobiva svojo energijo iz jedrskega zlitja, so mnogi ljudje začeli preučevati, ali bi se ta proces lahko izkoristil za praktično uporabo.
Poleg elektrarn na jedrsko fuzijo jedrsko orožje, razvito s to tehnologijo, vključuje tudi vodikovo bombo. Ker sama reakcija zlivanja vodika ne proizvaja velikih količin sevanja, je vodikova bomba relativno okolju prijazna. Vendar pa večino eksplozivne moči vodikove bombe določa jedrska fuzija, ki jo sproži jedrska eksplozija, in reakcija se ne more zgoditi brez ogromnega rentgenskega sevanja, ki ga ustvari začetni sprožilni mehanizem. Poleg tega je trenutna učinkovitost vodikovih bomb enaka učinkovitosti enakovredne mase TNT, zato je potreben nadaljnji razvoj.
Prednosti jedrske fuzije
Zakaj ljudje izvajajo različne študije za napredek tehnologije jedrske fuzije in izkoriščanje njene energije? Da bi odgovorili na to vprašanje, moramo najprej razpravljati o prednostih tehnologije jedrske fuzije.
Prvič, jedrska fuzija uporablja naravne materiale kot gorivo. Čeprav je to skupna značilnost večine obnovljivih virov energije, za razliko od tehnologije fisije, ki se zanaša na uran z omejenimi rezervami, jedrska fuzija uporablja materiale, ki jih je mogoče enostavno dobiti iz narave. Tehnologija jedrske fuzije uporablja kot gorivo devterij (²H), ki ga je mogoče pridobiti iz morske vode, in tritij (³H), ki ga je mogoče pridobiti iz litija, ki ga je mogoče enostavno pridobiti iz zemlje. Vodik je danes na Zemlji zlahka dostopen, še večje količine pa je mogoče dobiti v vesolju, zato ni treba skrbeti za izčrpavanje virov.
Drugič, jedrska fuzija je zaradi izjemno visoke učinkovitosti goriva zelo ekonomična. Energija, ustvarjena med procesom proizvodnje energije z jedrsko fuzijo, znaša približno 638 GJ na gram vodika; pri uporabi enake mase goriva jedrska fuzijska reakcija proizvede sedemkrat več energije kot jedrska cepitvena reakcija. Poleg tega je energija, ustvarjena iz 1 grama vodika, primerljiva z energijo, ki jo proizvede 21 metričnih ton premoga ali približno 60 sodov nafte, kar kaže na izjemno energetsko učinkovitost.
Poleg tega je jedrska fuzija zelo varna tehnologija. Proizvodnja energije z jedrsko cepitvijo se za sprožitev verižne reakcije zanaša na kritično maso, pri čemer se vzdržuje konstantna toplotna moč, medtem ko se za nadzor reakcije uporablja nevtronski moderator. Nasprotno pa proizvodnja energije z jedrsko fuzijo vključuje dopolnjevanje vodikovega goriva v fuzijskem reaktorju po potrebi; zato je tveganje za eksplozijo praktično neobstoječe, tudi če se pojavijo težave pri nadzoru jedrske reakcije v reaktorju. Vodikova plazma, gorivo za energijo jedrske fuzije, v reaktorju obstaja v plazemskem stanju. Za razliko od trdnih snovi ima vodikova plazma zelo nizko gostoto in zato lahko shrani le majhno količino toplotne energije na enoto prostornine. Posledično, če se nadzor izgubi in plazma trči v notranjo steno reaktorja, se plazma razprši in jedrska reakcija se ustavi.
Končno je jedrska fuzija okolju prijazna in skoraj ne proizvaja škodljivih snovi. Količina sevanja, ki jo ustvari jedrska fuzijska energija z uporabo naravno prisotnega vodika, je dejansko večja od količine sevanja, ki ga ustvari jedrska cepitev. Vendar pa za razliko od jedrske cepitve, ki proizvaja radioaktivne snovi, smrtonosne za ljudi, in proizvodnje toplotne energije, ki ustvarja in v ozračje oddaja velike količine škodljivih snovi, kot so žveplovi oksidi in ogljikov monoksid, proces jedrske fuzije proizvaja helij, ki ni radioaktiven in neškodljiv za okolje, saj ne škoduje ljudem ali okolju.
Kot taka jedrska fuzija ustvarja energijo z uporabo naravnih materialov in je zaradi visoke učinkovitosti ekonomsko upravičena. Če bomo lahko izkoristili mehanizme za proizvodnjo energije sonca in narave, bomo lahko uživali v različnih prej omenjenih prednostih. Zato so v času, ko se težave, povezane s konvencionalnimi viri energije – kot sta izčrpavanje virov in onesnaževanje okolja – stopnjujejo, številne države sklenile, da ni učinkovitejše alternative kot jedrska fuzija za rešitev energetskih problemov človeštva, in nadaljujejo z raziskavami jedrske fuzije.
Praktična uporaba fuzije
Številne države si močno prizadevajo, da bi fuzija – z njenimi številnimi koristmi – postala praktična resničnost. Ko je znanstvena potrditev fuzije postala mogoča, so se globalne raziskave fuzije preusmerile v komercializacijo, s cilji inženirskih aplikacij in komercialne proizvodnje električne energije. Zato so vodilne države na področju raziskav fuzije vzpostavile mednarodne raziskovalne centre za izmenjavo raziskovalnih ugotovitev in pospešitev komercializacije.
To je »ITER«. Ime, ki v latinščini pomeni »pot«, pooseblja upanje človeštva na »pot do nove energije«. Projekt ITER je obsežna mednarodna skupna raziskovalno-razvojna pobuda za skupno izgradnjo mednarodnega eksperimentalnega fuzijskega reaktorja, katere končni cilj je dokazati izvedljivost komercialne fuzijske energije kot odgovor na tveganja izčrpavanja fosilnih goriv in okoljska vprašanja. Projekt so sprva vodile štiri države – Združene države Amerike, Rusija, Evropska unija in Japonska –, od takrat pa so se projektu pridružile še Južna Koreja, Kitajska in Indija, zdaj pa ga sestavlja skupno sedem držav.
Prihodnost fuzije
Tehnologija fuzije vztrajno napreduje. Čeprav sta za praktično izvedbo fuzije potrebna najsodobnejša znanost in tehnologija, se je pred kratkim pojavilo vprašanje: "Ali je mogoče doseči fuzijo pri sobni temperaturi?"
Ljudje, ki trdijo, da so dosegli jedrsko fuzijo pri sobni temperaturi, se nenehno pojavljajo. Marca 1989 sta Stanley Pons in Martin Fleischmann z Univerze v Utahu objavila, da sta uspešno izvedla poskus jedrske fuzije pri sobni temperaturi. Čeprav je bil v poskusu uporabljen paladij, ki ima sposobnost absorbiranja vodika, so bili rezultati reakcije jedrske fuzije nedosledni in jih zato znanstvena skupnost ni priznala. Od takrat so se pojavile različne trditve – kot so reakcije mehurčaste fuzije – vendar se zdi, da je s trenutno znanostjo in tehnologijo težko doseči jedrsko fuzijo pri sobni temperaturi.
Zaradi okoljskih pomislekov bodo na energetskem trgu prihodnosti prevladovali novi in obnovljivi viri energije, in ker lahko jedrska fuzijska energija zagotavlja vse oblike energije, bo vodila preobrazbo prihodnjih sistemov oskrbe z energijo. Vendar pa so raziskave jedrske fuzije še vedno v zgodnji fazi in so se šele zares začele. V prihodnje je treba obravnavati tehnične izzive, kot sta diagnosticiranje plazme za ohranjanje stabilnega stanja in odstranjevanje nečistoč. V ta namen je treba razviti dolgoročne strategije in politike za zagotovitev ponudbe nadarjenih raziskovalcev ter trajnostne dolgoročne podpore.
zaključek
Jedrska fuzija je bila pogosta tema tudi v novejših filmih. V filmu 'Iron Man' protagonist Tony Stark uporablja napravo za jedrsko fuzijo pri sobni temperaturi kot vir energije za svojo obleko Iron Man. S to napravo se bori proti različnim zlikovcem in postane superheroj. Poleg tega se v filmu 'Spider-Man 2' Doktor Octopus pojavi kot znanstvenik, ki raziskuje jedrsko fuzijo na osnovi tritija, da bi s pomočjo jedrskih fuzijskih reakcij pridobil neomejeno moč. Čeprav so njegovi fuzijski poskusi večkrat propadli, je fuzijski reaktor sčasoma postal entiteta, ki jo poganja želja po nadzoru nad človeštvom. V teh filmih je jedrska fuzija prikazana kot tehnologija, ki je sposobna izkoristiti neomejeno energijo.
Glavna težava pri proizvodnji energije z jedrsko fuzijo je nevtronski žarek. Nevtronski žarek je tok visokohitrostnih nevtronov, ti visokohitrostni nevtroni pa povzročijo, da reaktor postane radioaktiven. Za razliko od proizvodnje energije s cepitvijo, ki zahteva izolacijo celo velikih količin stranskih produktov reakcije od okolja, je treba proizvodnjo energije z fuzijo odstraniti šele, ko je reaktor razgrajen; zato oddaja veliko manj okolju škodljivih odpadkov kot proizvodnja energije s cepitvijo. Čeprav je količina manjša kot pri cepitvi, je pomembno jasno vedeti, da radioaktivni odpadki še vedno nastajajo.
Podpiram fuzijsko energijo. Fuzija bo prinesla številne koristi. Vendar moramo upoštevati, da se fuzijska tehnologija še vedno razvija; čeprav naj bi ponudila številne prednosti, lahko obstajajo tudi pomanjkljivosti, ki še niso bile odkrite.
Kot kaže zgodovina tehnološkega napredka, se lahko pojavijo nepredvidene težave, ki imajo znatne posledice. Zato menim, da je od človeštva odvisno, kako bo uporabilo in izkoristilo fuzijo – ki ponuja neomejen potencial – in da je s tem povezana tudi ustrezna odgovornost. Ne le raziskovalci, ki preučujejo in razvijajo fuzijo, ampak tudi ljudje, ki jo bodo uporabljali, ko bo v prihodnosti komercializirana, morajo ravnati odgovorno, da bi preprečili zlorabo fuzije. Poleg tega, če nam jedrska fuzijska energija omogoča izkoriščanje neomejene energije, bomo morali najti rešitve za reševanje morebitnih nacionalnih vprašanj, kot je vojna.
