Tiskane izdaje
Približno toliko naj bi stal eksperimentalni fuzijski reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ki ga od leta 2010 gradijo v Cadarachu, v Provansi na jugu Francije, nedaleč od mesta Aix-en-Provence. S to napravo, ki bo po zadnjih ocenah predvidoma dograjena v drugi polovici leta 2022, naj bi dokazali, da je mogoče s fuzijo, to je z zlivanjem lahkih jeder dveh izotopov vodika (tritija in devterija) pridobivati velike količine energije. Tako naj bi Iter ob »vloženih« 50 megavatih električne energije, ki bo potrebna za začetek fuzijske reakcije, »pridelal« 500 megavatov. Ali drugače: proizvedel bo desetkrat več energije, kot je bo potrebno za njegovo delovanje.
Njegova primarna naloga sploh ne bo pridobivanje energije (ta bo pravzaprav stranski produkt), ampak dokazati, da je na zdajšnji stopnji tehnološkega razvoja mogoče dalj časa vzdrževati pogoje, ki omogočajo fuzijsko reakcijo. Pridobivanju energije bo namenjen šele demonstracijski fuzijski reaktor (DEMO), katerega gradnja bo sledila, ko bodo (če bodo) z Itrom dokazali dejansko vzdrževanje fuzijske reakcije.
Čakajoč na tehnologijo
Čeprav je princip fuzije, to je, kot rečeno, zlivanja lahkih vodikovih jeder, znan že iz 50. let prejšnjega stoletja, ko so v tedanji Sovjetski zvezi izdelali prve, dejansko namizne fuzijske reaktorčke, imenovane TOKAMAK (toroidalnaja kamera s magnitnjmi katuškami), ki so dokazovali, da bi bilo mogoče s fuzijo pridobivati velike količine energije, dobrega pol stoletja ni bilo na voljo tehnoloških rešitev, ki bi omogočale komercialno izrabo tega energijskega vira.
Danes po svetu deluje nekaj deset eksperimentalnih fuzijskih reaktorjev. Največja sta dva – v neposredni bližini Itrove lokacije v Cadarachu v francoskem jedrskem raziskovalnem središču stoji eksperimentalni fuzijski reaktor Tore Supra, v britanskem Culhamu blizu Oxforda pa za zdaj največja fuzijska naprava JET (Joint European Torus). V obeh že dalj časa izvajajo eksperimente, ki so v neposredni zvezi z Itrom. Tako se v reaktorju Tore Supra ukvarjajo predvsem z dolgotrajnejšim vzdrževanjem plazme v vakuumski posodi (njihov rekord je zdaj 6 minut), v Jetu pa v zadnjem obdobju med drugim preizkušajo nove materiale, s katerimi bo prevlečena Itrova reaktorska posoda in še posebej njen najobčutljivejši del, tako imenovani diverter, ki odstranjuje nečistoče iz plazme in kjer se med fuzijsko reakcijo kopiči največ energije; tako je zdaj že jasno, da bodo v Itru v te namene uporabili tudi volfram, ki je kovina z najvišjim tališčem.
Zakaj je fuzija tako zahtevna?
Fuzija oziroma zlivanje atomskih jeder je dejansko motor, ki »poganja« zvezde, torej tudi naše Sonce. V njegovem središču je temperatura 15.000.000 stopinj Celzija, kar omogoča nastanek plazme, oblaka nepovezane atomske strukture; to je stanje, ko so delci snovi redkejši kot v plinastem stanju. Ker zaradi velike mase Sonca tam vlada izredno velika sila gravitacije, to sproža počasno, a permanentno fuzijsko reakcijo, katere rezultat je nepredstavljivo velika energija; na Soncu v eni sekundi »zgori« 600 milijonov ton vodika.
Po enakih principih deluje tudi fuzijski reaktor. V povsem zaprti posodi (v resnici je obroč), v kateri je visok vakuum, ustvarijo plazmo, ki ima v središču temperaturo kar 100.000.000 stopinj Celzija. Vanjo vpihujejo atome tritija in devterija, ob zlivanju njunih jeder pa se sprošča izjemno velika količina energije.
Da vse skupaj ni preveč enostavno, vedno obstaja »kavelj«. Plazme namreč ni preprosto zadržati v zaprti posodi, opozarja Richard Pitts, ki se pri projektu Iter ukvarja z vzdrževanjem plazme. Ne obstaja namreč material, ki bi prenesel tako visoke temperature (čeprav je plazma na obrobju bistveno manj vroča kot v središču), zato plazmo v reaktorju dejansko stiskajo, tako da se ne dotika sten reaktorske posode.
To dosežejo z izredno močnim elektromagnetnim poljem, ki, poenostavljeno povedano, v fuzijskem reaktorju nadomešča izjemno veliko gravitacijo, kakršna vlada na Soncu. Za vzpostavljanje tega magnetnega polja pa potrebujejo poseben sistem superprevodnih magnetov (sistemi so pravzaprav štirje). Za kako močno magnetno polje gre, je Neil Mitchell, ki v Itru dela na oddelku za magnete, ponazoril s silo, ki bi 40.000-tonsko letalonosilko, ki bi plula s hitrostjo 180 km/h, povsem ustavila v 20 sekundah. Ker so omenjeni magneti tudi zelo veliki in težki, jih bodo – kot edini del Itra – sestavljali šele na kraju samem, za kar so v Cadarachu že zgradili veliko dvorano (300 x 60 metrov); za njihovo izdelavo bodo med drugim potrebovali skoraj 100.000 kilometrov posebnih kablov s premerom nekaj manj kot štiri centimetre. Sicer pa je dovolj zgovoren podatek, da predstavlja cena teh magnetov kar tretjino skupnih stroškov za Iter.
Imajo pa superprevodni magneti še eno, vsaj s tehnološkega stališča, neprijetno lastnost. Ohlajeni morajo biti na stalno temperaturo minus 265 stopinj Celzija. To pomeni, da morajo biti shranjeni v posebnem ohišju, imenovanem kriostat, ki je kot velikanski hladilnik na tekoči helij. V njem pa je vakuumska posoda s prostornino 837 kubičnih metrov in plazmo, ki ima v središču 100.000.000 stopinj Celzija. Na videz nezdružljivo, saj take razlike v temperaturi ni nikjer v vesolju. A ker ima plazma – vakuumska posoda meri v preseku 6,2 x 2 metra – na obodu bistveno nižjo temperaturo in ni v stiku s stenami, je ta »peč v hladilniku« tehnološko izvedljiva.
Gorivo in varnost
Kot je ob našem obisku v Cadarachu pojasnil namestnik generalnega direktorja projekta Iter Carlos Alejandre, je »lepota« fuzijskega reaktorja tudi v gorivu, ki ga potrebuje za fuzijsko reakcijo, in v varnosti, ki iz tega izhaja.
Del fuzijskega goriva predstavlja devterij, ki je v vodi in torej na voljo v neomejenih količinah. Tritij pa v naravi ne obstaja, zato ga v majhnih količinah (na vsem svetu ga je trenutno le 23 kilogramov) pridobivajo kot stranski proizvod v nekaterih vrstah klasičnih jedrskih reaktorjev, torej pri jedrski fisiji oziroma cepitvi atomskih jeder. Zato je tritij radioaktiven, a zaradi kratke razpolovne dobe s stališča jedrske varnosti neproblematičen.
Kot pojasnjuje Alejandre, pa bosta odpadni produkt fuzijske reakcije helij in nevtron, ki bo aktiviral stene vakuumske posode in ga je treba odstraniti. Posledično nastajajo le razmeroma majhne količine nizko- in srednjeradioaktivnih materialov oziroma odpadkov, ki po sto letih niso več radioaktivni, kar je neprimerljivo s klasičnimi fisijskimi jedrskimi reaktorji, kjer je v enem samem gorivnem ciklu v reaktorski posodi več ton visokoradioaktivnega jedrskega goriva.
Iz tega tudi sledi, nadaljuje Alejandre, da s stališča jedrske varnosti fuzijski reaktor v primerjavi z zdaj delujočimi fisijskimi ni sporen. »Varnostni projekt za Iter smo začeli ravno v času, ko se je zgodila katastrofa v japonski jedrski elektrarni Fukušima Daiči marca 2011. Zato je legitimno vprašanje, ali so mogoče kakršnekoli primerjave. Kot rečeno, je za delovanje klasičnega jedrskega reaktorja potrebnih več ton visokoradioaktivnega goriva. V fuzijskem reaktorju, kot bo Iter, pa imamo le nekaj gramov goriva (devterija in tritija) v plinastem stanju. Prav tako v fuzijskem reaktorju ne poteka verižna reakcija, ni goriva, ki bi se v primeru odpovedi hladilnega sistema stalilo. Celo nasprotno, čim pade temperatura, izgubimo plazmo in fuzija se samodejno prekine in ni tako imenovane zapoznele toplote, ki je, kot vemo, glavna težava poškodovanih reaktorjev v Fukušimi. Tako v Itru hlajenje oziroma njegova odpoved sploh ni varnostni dejavnik. In ne nazadnje, kljub izredni moči magnetnega polja v vakuumski posodi ga bo že nekaj metrov od naprave težko izmeriti.«
Pomembna lastnost komercialnih fuzijskih reaktorjev (Iter tega še ne bo omogočal) bo tudi, da bodo v procesu fuzijske reakcije kot stranski proizvod sami proizvajali dovolj tritija, se pravi, da se bodo z bistvenim delom goriva dolgoročno oskrbovali sami. Kot je opozoril Richard Pitts, ni nepomembno, da bo fuzijski odpadni produkt še helij, ki je strateško pomemben in ga na svetu primanjkuje, saj ne nastaja v naravi.
Zapleteno
V projektu se je novembra 2006 povezalo sedem partneric – EU, Kitajska, Indija, Japonska, Južna Koreja, Ruska federacija in ZDA; pomembno vlogo je odigral tudi takratni evropski komisar za znanost in raziskovanje Janez Potočnik. Pogodba o izvedbi projekta velja 35 let, z možnostjo podaljšanja za 10 let. Ni nepomembno, da sodelujoče partnerke predstavljajo polovico svetovne populacije in kar 80 odstotkov svetovnega družbenega proizvoda.
Poleg finančne zahtevnosti projekta – začetni vložek je bil okoli 5 milijard evrov, končnega zdaj ocenjujejo na 14 milijard, dejanski znesek pa verjetno ne bo nikoli znan, saj partnerkam, ki so prevzele razvoj in izdelavo posameznih podsistemov in delov Itra, ni treba poročati o stroških – gre seveda tudi za doslej največji inženirski podvig, ki zahteva centralizirano tehnično integracijo, ki pa mora kljub temu upoštevati tudi »politično pravično« delitev projekta med partnerkami.
Dovolj zgovoren je podatek, da posamezne sestavne dele, ki so težki po več sto ton (kriostatova baza kot najtežji del na primer tehta 1105 ton) in imajo toleranco odstopanja od manj kot milimeter do največ dva milimetra, izdelujejo v ZDA, na Kitajskem, v Južni Koreji, Indiji, v več državah EU ... Zato kljub izjemni koordinaciji in skupnemu načrtovanju posameznih rešitev prihaja do posameznih zatikanj in posledično tudi zamud.
Kot zanimivost naj povemo, da sta slabo leto zamude »prispevala« potres in cunami, ki sta marca 2011 razdejala japonsko pokrajino Tohoku na severovzhodu otoka Honšu in uničila jedrsko elektrarno Fukušima Daiči. Na tistem območju so namreč tovarne, v katerih izdelujejo posamezne dele za Iter in ki so za več mesecev prekinile delo.
Navsezadnje k nekaterim zamudam prispeva tudi gospodarska razsežnost projekta. Predvsem izdelava magnetov je tako zahtevna, da se je na razpis prijavil le en konzorcij, ki je zato izsiljeval z nerealno visoko ceno. Tako so pogodbo razdrli in šli v nov razpis, kar pa seveda ni v prid lovljenju predvidenih rokov. Dejansko vsi sistemi, ki bodo vgrajeni v Iter, tudi še niso razviti. Razvijajo jih vzporedno ob izdelavi posameznih komponent.
Cadarache danes – gradbišče
Te dni, ko je skupina evropskih novinarjev obiskala Cadarache, je tam na prvi pogled običajno gradbišče. Na ograjenem 180 hektarov velikem območju že stoji upravna stavba, prav tako že omenjena dvorana za montažo superprevodnih magnetov. Na 40 hektarov velikem platoju pa intenzivno gradijo temelje za Iter oziroma tokamak. Gradnja poteka po najnovejših francoskih standardih za jedrske reaktorje. Poleg tega da vgrajujejo posebne vrste betona, je posebnost temeljenje, ki ga med drugim sestavlja nekaj manj kot petsto 180 cm visokih betonskih stebrov, v katerih je vgrajena tudi 10-centimetrska plast posebne trde gume. Na teh stebrih bo položena nosilna plošča, na kateri bo stal 23.000-tonski tokamak; njegove mere so okroglih 30 x 30 metrov, celotna stavba pa bo visoka okrog 60 metrov. To naj bi zagotavljalo optimalno seizmično varnost naprave.
Spodnji del fuzijskega reaktorja bodo začeli sestavljati sredi prihodnjega leta, ko stavba zanj še ne bo povsem dokončana. Razmeroma zgodaj, verjetno okrog leta 2017/2018, bodo preizkusili vakuumsko posodo in šele zatem nadaljevali vgrajevanje notranje opreme; logično, podobno kot preizkusijo talno ogrevanje, preden cevi zalijejo z estrihom.
Že letošnjega septembra bodo prvič preizkusili tudi posebno pot od Marseilla do Cadaracha, po kateri bodo med montažo Itra opravili okrog 300 prevozov, najtežji deli bodo tehtati celo 750 ton.
Dejansko gre za drobiž
Se tako zahteven in tvegan projekt sploh izplača? Kot poudarja Carlos Alejandre, so zagovorniki fuzije kot vira energije prepričani, da bo ta čez nekaj desetletij ena od sestavin tako imenovanega energijskega koktajla, brez katerega svet ne bo mogel. Kot kažejo projekcije, se bo globalna lakota po energiji nenehno povečevala, že leta 2030, kar je jutri, naj bi bila za 60 odstotkov večja kot danes.
Poleg nekaterih obnovljivih virov energije in klasične jedrske energije (ki ima poleg drugega tudi časovne omejitve zaradi omejenosti goriva) pa je fuzija za zdaj edini skoraj trajnostni potencialno velik energijski vir, ki je brez izpustov ogljikovega dioksida.
V kontekstu dolgoročne oskrbe z energijo, se pravi še čez sto let in več, je razmeroma nepomembna tudi razprava o visoki ceni projekta. Za reševanje svetovnih energetskih zagat – ni nenavadno, da Iter še posebej zagreto podpirata Kitajska in Južna Koreja – je 14 milijard evrov drobiž.
