V tej objavi na blogu bomo uporabili metaforo »krofa, napolnjenega s soncem«, da bi raziskali načela jedrske fuzijske energije, strukturo tokamaka, prednosti jedrske fuzijske energije, izzive, ki jih je treba premagati za komercializacijo, in najnovejše raziskovalne trende.
Krofi, ki jih jemo, vsebujejo najrazličnejše sestavine. Kaj pa, če bi nekega dne kupili krof in v njem našli sonce? Morda se sliši kot divja fantazija, toda kaj, če bi prav ta »krof« držal ključ do korenite preobrazbe prihodnosti človeštva?
Sonce s pomočjo jedrskih fuzijskih reakcij sprošča ogromne količine energije. Čeprav le majhen delček te energije doseže Zemljo, je že ta majhna količina dovolj za vzdrževanje Zemljinega ekosistema in človeške civilizacije. Če bi torej lahko varno ponovili jedrske fuzijske reakcije, ki se dogajajo znotraj Sonca, tukaj na Zemlji, ali ne bi to odprlo nove poti k reševanju energetskih problemov, ki že dolgo pestijo človeštvo?
Seveda je prinesti pravo Sonce sem fizično nemogoče. Namesto tega so znanstveniki svojo pozornost usmerili na plazmo – pogosto imenovano »četrto agregatno stanje« – kot medij, ki je sposoben poustvariti okolje, podobno tistemu v Soncu. Naprava, razvita za stabilno zadrževanje te ultra visokotemperaturne plazme, je tokamak v obliki krofa. Ime »tokamak« izhaja iz ruskega izraza »Toroidalnaya Kamera Magnitnymi Katushkami« (vakuumska komora v obliki krofa z magnetnimi tuljavami). Gre za napravo, ki zadrži plazmo – fuzijsko gorivo – znotraj votle vakuumske komore v obliki krofa, da sproži reakcijo, ki opravlja funkcijo, podobno kot reaktor pri proizvodnji fisijske energije.
Struktura tokamaka je organizirana okoli dveh glavnih osi: toroidne smeri, ki poteka vzdolž oboda krofa, in poloidne smeri, ki poteka vzdolž prečnega prereza krofa. V tokamaku so kompleksno razporejene različne naprave, vključno s superprevodnimi magneti, ki ustvarjajo močna magnetna polja, da preprečijo, da bi se ultravisokotemperaturna plazma dotaknila sten posode, osrednjo solenoidno tuljavo, ki ustvarja plazemski tok, in vakuumskim sistemom, ki vzdržuje ultravisok vakuum znotraj posode.
Proces jedrske fuzije, ki se odvija v tokamaku, se pogosto primerja z mikrovalovno pečico. Seveda so dejanska načela veliko bolj zapletena, vendar obstajajo podobnosti v tem, da oba uporabljata močne elektromagnetne valove od zunaj za segrevanje snovi. Po vbrizganju devterija in tritija v tokamak se gorivo segreje na ultra visoke temperature nad 100 milijonov stopinj Celzija z uporabo mikrovalov, žarkov nevtralnih delcev in radiofrekvenčnih grelnih naprav, zaradi česar preide v plazemsko stanje. Nato pride do jedrske fuzijske reakcije DT – pri kateri se devterij (D) in tritij (T) zlijeta –, pri čemer nastane helij in visokoenergijski nevtroni. Med tem procesom se zelo majhna količina mase pretvori v energijo in v skladu z Einsteinovim načelom enakovrednosti mase in energije (E=mc²) se sprosti ogromna količina energije. Končni cilj proizvodnje energije z jedrsko fuzijo je zanesljivo izkoriščanje te energije za proizvodnjo električne energije.
Proizvodnja energije z jedrsko fuzijo ponuja več prelomnih prednosti v primerjavi s konvencionalnimi metodami proizvodnje energije. Prvič, devterij – gorivo – je mogoče pridobiti iz morske vode, tritij pa z uporabo litija, zaradi česar je dolgoročna razpoložljivost goriva zelo verjetna. Posledično lahko to znatno ublaži problem koncentracije energetskih virov v določenih državah. Poleg tega, čeprav nekatere strukturne komponente postanejo radioaktivne zaradi nevtronov med procesom fuzije, sta količina radioaktivnih odpadkov in breme ravnanja z njimi relativno manjša kot pri proizvodnji energije s fisijo, ki dolgoročno proizvaja visoko radioaktivne odpadke. Predvsem pa, ker se reakcije jedrske fuzije lahko vzdržujejo le pod zelo specifičnimi pogoji – in sicer pri ultra visokih temperaturah in močnih magnetnih poljih – se plazma naravno ohladi in reakcija se ustavi, če pride do anomalije. Posledično ponuja že samo po sebi večjo varnost kot proizvodnja energije s fisijo, kjer se verižna reakcija nadaljuje.
Čeprav je jedrska fuzijska energija zelo privlačen vir energije prihodnosti, je treba pred njeno komercializacijo premagati še številne tehnične izzive. Najprej je treba razviti materiale, odporne na toploto in sevanje, ki lahko prenesejo plazemska okolja, ki se približujejo stotinam milijonov stopinj, in visokoenergijske nevtrone v daljših obdobjih. Poleg tega je treba za stabilno zadrževanje plazme vzdrževati močna magnetna polja dlje časa, kar zahteva tehnologijo superprevodnih magnetov, ki lahko delujejo pri izjemno nizkih temperaturah. Ta področja inženirstva materialov in superprevodne tehnologije ostajajo ključna področja aktivnih raziskav po vsem svetu.
Poleg tega inherentna nestabilnost plazme sama po sebi predstavlja velik izziv. V plazmi se lahko pojavijo različne oblike nestabilnosti, zaradi katerih se začne nihati ali delno sesedati; v hujših primerih lahko to privede do "motnje", kjer celotna plazma pride v stik s steno posode. Ker ti pojavi ne le zmanjšajo stabilnost izhoda, temveč lahko povzročijo tudi poškodbo naprave, veljajo za eno najpomembnejših področij raziskav za komercializacijo. Trenutno raziskovalne ustanove po vsem svetu nenehno izvajajo raziskave za zmanjšanje teh nestabilnosti z uporabo tehnologij krmiljenja, ki temeljijo na umetni inteligenci, in visokozmogljivih simulacij.
V Južni Koreji se vrhunske raziskave fuzije izvajajo predvsem s sistemom KSTAR (Superconducting Fusion Research Device), ki ga upravlja Korejski inštitut za fuzijsko energijo. KSTAR še naprej podira rekorde pri stabilnem vzdrževanju ultra visokotemperaturne plazme v daljših obdobjih in igra ključno vlogo pri zagotavljanju tehnologije za komercialno fuzijsko energijo. Na mednarodni ravni se v Franciji gradi projekt Mednarodnega termonuklearnega eksperimentalnega reaktorja (ITER), v katerem sodelujejo Južna Koreja, Evropska unija (EU), Združene države Amerike, Japonska, Kitajska, Indija in Rusija. Čeprav je ITER v primerjavi s prvotnim načrtom doživel nekaj zamud, še naprej napreduje kot največji svetovni mednarodni skupni raziskovalni projekt, katerega cilj je preveriti inženirsko izvedljivost proizvodnje fuzijske energije. Po tem je vzpostavljen fazni razvojni načrt, ki vodi od demonstracijske elektrarne (DEMO) do komercialne fuzijske elektrarne.
Zdaj držimo v rokah »krof«, ki bo spremenil prihodnost. Morda bo trajalo še kar nekaj časa, preden bomo lahko grizljali prvi grižljaj. Vendar pa človeštvo že vztrajno napreduje, korak za korakom, proti monumentalnemu cilju jedrske fuzije. Če bo kdaj prišel dan, ko bo ta »krof, ki vsebuje sonce« – sposoben zagotavljati čisto, varno in praktično neomejeno energijo – postal del našega vsakdanjega življenja, bo to zabeleženo kot ena največjih prelomnic v zgodovini energetike.
