Iz takšne snovi kot sanje

Največji znanstveni projekt ukrotitve energije fuzije, ki je last polovice človeštva in upanje za vse
Objavljeno
14. junij 2018 13.00
Posodobljeno
15. junij 2018 09.02
Celoten kompleks ima površino 60 nogometnih igrišč. Foto Iter
»Zapomnite si ta trenutek: na mestu, kjer stojite zdaj, bo čez deset let 150 milijonov stopinj Celzija,« poslušamo Bernarda Bigota, direktorja Itra, sredi nastajajočega kriostata – vakuumskega lonca, bogato obloženega z visokotehnološkim napravami, v katerem namerava človeštvo ustvariti in ukrotiti zvezdo ter tako rešiti energetske probleme zemljanov za vse večne čase.

Na jugu Francije, na kompleksu Cadarache, dobre pol ure vožnje iz Aix-en-Provence, delavci pod nadzorom znanstvenikov iz 35 držav na površini 60 nogometnih igrišč gradijo moderne piramide. V središču tehnološkega svetišča so ob našem obisku vlivali betonski oklep za fuzijsko napravo – najbolj kompleksen stroj v zgodovini človeštva, ki ga medtem že sestavljajo v sosednji dvorani. Več kot milijon njegovih delov bo skupaj težkih 23.000 ton ali toliko kot trije Eifflovi stolpi.



Srce stroja bo obročasta vakuumska posoda, tokamak, z zunanjim premerom 20 metrov, v katerem bodo superprevodni magneti krotili oblak plazme izotopov vodika, devterija in tritija. Ta bo le meter stran od skoraj na absolutno ničlo ohlajenih magnetov (–269 stopinj Celzija) dosegel desetkrat večjo temperaturo od sredice Sonca.

Sredinski 18 metrov visok in 4,5 metra širok magnet ali solenoid, ki bo v pulzih menjal polariteto in poganjal plazmo po tokamaku, bo sestavljen iz šestih skupaj tisoč ton težkih segmentov, ki bodo ob nasprotni polariteti ustvarili odbojno silo 60 meganjutnov, kar je dvakrat več od pogonske sile space shuttla. Da jih pri tem ne bi odneslo skozi streho, jih bodo privili z več kot tisoč vijaki.

Najpomembnejši cilj tega nepredstavljivo zapletenega stroja bo prvič v zgodovini fuzijske znanost proizvesti več energije, kot je je potrebne za njegovo delovanje. Veliko več.
 

Ruski in ameriški koncept


Tokamak je oblika vakuumske komore, ki sta si jo v petdesetih letih prejšnjega stoletja zamislila sovjetska fizika Igor Tamm in Andrej Saharov (tokamak je v ruščini kratica za toroidalnajo kamero s aksialnjim magnitnjim polem  oziroma po slovensko toroidalno komoro z aksialnim magnetnim poljem). Gre za obroč oziroma toroid, obdan z magneti, ki bo tudi osnova za Itrov dizajn.

Luka Snoj, vodja odseka za reaktorsko fiziko na Institutu Jožef Stefan in vodja reaktorja TRIGA v Brinju pri Ljubljani, pojasni, da to morda ni najbolj idealna in plazmi prilagojena oblika, a je dovolj preprosta, da je praktično izvedljiva in ekonomsko sprejemljiva. Američani so v petdesetih letih poskušali komoro za plazmo namesto v toroid zviti v obroč izjemno kompleksne oblike (stelarator), ki je bolj prilagojen lastnostim plazme in bi jo lahko v nasprotju s tokamakom, ki deluje pulzno, zadrževal daljši čas ali celo kontinuirano.

Naprava se tudi zaradi zahtevne izdelave ni obnašala po napovedih, zato je koncept za nekaj desetletij utonil v pozabo. V devetdesetih so ga zaradi napredka tehnologije materialov obudili in zdaj največji stelarator obratuje v Nemčiji. »Nemci raziskujejo vodikovo plazmo, ki pa ni fuzijsko relevantna, poskusi so namenjeni predvsem fizikalnemu preizkušanju koncepta stelaratorja – kontinuiranega zadrževanja plazme,« nam pojasni Snoj.

image
Luka Snoj FOTO: Jože Suhadolnik/Delo

 

Sonce na zemlji


Znanstvena teorija fuzije je varljivo preprosta: namesto cepljenja atomov, procesa, ki ga izkoriščajo nuklearne fisijske elektrarne, kakršna je krška, opisuje proces združevanja atomov. Fuzija že milijarde let nepretrgoma poteka tudi na naši zvezdi – Soncu: vsako sekundo se pri 15 milijonih stopinj Celzija 600 milijonov ton vodika zlije v helij, pri tem pa se sprostijo ogromne količine energije.

Kako iz fuzije pride elektrika
Za laboratorijsko fuzijo morajo biti izpolnjeni trije pogoji: zelo visoka temperatura, dovolj velika gostota plazme in dovolj dolg čas zadrževanja plazme. Centralni magnet – solenoid v tokamaku inducira električni tok v plazmi iz devterija in tritija. Začne se segrevanje. Zunanji magneti nadzirajo plazmo in jo držijo proč od sten vakuumske komore, saj bi ta ob morebitnem dotiku poškodovala elemente tokamaka. Med kroženjem in dogrevanjem s pomočjo mikrovalov se plazma segreje na 150 milijonov stopinj Celzija – pri tej temperaturi se jedra tritija in devterija med trki združijo in pri tem sprostijo visokoenergijski nevtron. Nevtroni trčijo ob stene komore in ob tem kinetično energijo pretvorijo v toploto, ki greje vodo v prekatih na zunanji strani tokamaka. Ta se upari in poganja turbine, ki generirajo elektriko v klasični elektrarni, postavljeni poleg reaktorja.


Znanstveniki so oba procesa razvozlali že pred drugo svetovno vojno. A medtem ko je fisija tudi zaradi vojaških interesov hitro prešla v praktično uporabo, najprej leta 1945 v obliki bombe, leta 1951 pa za proizvodnjo električne energije, se je fuzija izkazala za veliko bolj izmuzljivo. Zgodovina raziskav je navidez en sam dolg niz zapisov o skorajšnjih prebojih, novih rešitvah, ki bodo zdaj zdaj odrešile človeštvo skrbi za energijo.

Vendar zgolj navidez. Napredek je zaradi tehnoloških in znanstvenih izzivov res veliko počasnejši kot pri sestrski fisiji, toda morebitni izplen svetega grala nuklearne fizike je neustavljivo privlačen: čist, varen in neomejen vir energije. Za gorivo potrebujemo le vodo, iz katere pridobimo devterij, in litij, ki je surovina za tritij. S štirimi litri vode in 0,1 grama tritija proizvedemo toliko energije kot 10.000 ton premoga. Delovanje ne bi povzročalo izpustov CO2, radioaktivnih odpadkov bi bilo v primerjavi s fisijskimi elektrarnami zelo malo, spornih dolgoživih pa sploh nič. Poleg tega bi bil reaktor popolnoma varen, saj verižna nenadzorovana reakcija pri fuziji ni mogoča – v najslabšem primeru izgubimo nadzor nad plazmo in delovanje se ustavi.

Kako atomi proizvedejo energijo
Plazma je ionizirano agregatno stanje snovi, ko se pri zelo visokih temperaturah elektroni ločijo od jeder. Medtem ko na zemlji ne obstaja v naravnem stanju, je to po predvidevanjih najbolj pogosto stanje snovi v vesolju. Za proizvodnjo energije potrebujemo fuzijsko relevantne plazme, za najbolj primerno se je doslej izkazala plazma mešanice izotopov vodika, devterija in tritija. Medtem ko je devterija dovolj in ga lahko pridobimo iz navadne vode, pa je tritij zelo redek radioaktiven element (na svetu ga je manj kot sto kilogramov). Pridobivamo ga iz litija, za fuzijske pulze v tokamaku pa bo dovolj že nekaj gramov tega elementa.
Pri 150 milijonih stopinj Celzija dosežejo atomi tritija in devterija dovolj velike hitrosti, da premagajo elektrostatsko odbojno silo in se začnejo združevati. Ob združenju oziroma fuziji nastaneta nova elementa – helij in nevtron, njuna masa pa ni povsem enaka seštevku mas devterija in tritija; nekaj mase se v skladu s slavno Einsteinovo enačbo E=mc2 spremeni v velike količine energije.

 

Iter bo v svoji ligi


Po svetu deluje okoli dvesto fuzijskih reaktorjev, a vsi so eksperimentalni, kar pomeni, da je njihov namen proučevanje plazme. Tako po velikosti kot po lastnostih izstopa britanski JET, ki je leta 1997 v kratkem pulzu proizvedel spodobnih 16 megavatov energije ob vloženih 24 megavatih. Tako s proizvedeno močjo kot tudi s faktorjem 0,67 med vloženo in požeto energijo je svetovni rekorder, vendar še daleč od fuzijskega praga – točke 1, nad katero bi se teoretično lahko začela proizvodnja električne energije.

150

milijonov stopinj Celzija bo temperatura plazme


Znanstveniki vedo, da se lahko pragu približajo in ga krepko presežejo le z večjimi dimenzijami oziroma prostornino vakuumske komore za plazmo. Zato bo Iter v primerjavi z drugimi reaktorji pravi behemot. Od Jeta bo kar desetkrat večji in predvsem je že zdaj načrtovan tako, da bi v teoriji lahko proizvajal električno energijo. Njegova moč bo predvidoma 500 megavatov ob faktorju ojačitve 10, kar bi pomenilo velikanski korak h komercialni proizvodnji fuzijske energije. Sicer bo še vedno le eksperimentalni, namenjen proučevanju plazme, a konstrukcijsko bo že zelo podoben naslednji generaciji reaktorjev (DEMO), ki bodo fuzijsko energijo prvič v obliki elektrike poslali v omrežje.

4

kelvine bo temperatura magnetov


Ključna za dosego tako velikega izkoristka je velikost, nam pojasni Luka Snoj. Luka ve, o čem govori, saj je največji delujoči reaktor, britanski JET, spoznal od blizu – tam je bil leta 2010 in 2013 na podoktorskem usposabljanju. »Plazmo si predstavljajte kot juho. Če je v klasičnem slovenskem nedeljskem jušniku, se zlepa ne ohladi. Na krožniku gre to že hitreje, na žlici pa jo ohladimo, že če nekajkrat pihnemo. Enako je s plazmo, zato je velikost vakuumske posode pomembna,« razloži.
 

Bo fuzija prišla prepozno?


In vakuumska posoda, Iterjev tokamak, bo res velika. Ob našem obisku so delavci vlivali zunanji oklep iz visokokakovostnega betona, v katerega ne bodo smeli kasneje zavrtati niti luknje za luč, kaj šele izdolbsti kanala za kabel. »To je, kot bi morali že pred gradnjo hiše vedeti, kam boste obesili slike. Zamislite si zdaj, kako je to pri objektu takšnih dimenzij za napravo, kakršna še nikoli ni bila izdelana,« nam izjemen inženirski izziv predstavi tiskovna predstavnica Sabina Griffith.

  • Iter financirajo EU, ZDA, Kitajska, Rusija, Japonska, Južna Koreja, Indija.
  • Dograditev in prve poskuse s plazmo napovedujejo konec leta 2025.
  • Naslednji korak po Iterju bo DEMO, ki bo že proizvajal elektriko.


Gledam in si ne morem zamisliti. Na magnetih s skupno energijo 51 gigadžulov bo navitih sto tisoč kilometrov superprevodnih vodnikov, ki so že sami po sebi vrhunski tehnološki dosežek. Za poganjanje takšnega stroja bo v polminutnih pulzih potrebnih od 110 do 620 megavatov električne energije, toda zaradi izredne potentnosti fuzijskih reakcij bo Iter kljub temu lahko proizvajal predvidoma desetkrat več energije, kot je bodo vanj vložili.

A tudi če bo šlo vse po načrtih, je do tega, da bodo žarnice gorele ali električni avtomobili vozili na energijo fuzije, še dolgo – otrok, ki se rodi danes, lahko upa, da se bo to zgodilo v času njegovega življenja. Bo fuzija prišla prepozno?

Na gradbišču je te dni zelo živahno in tako je zadnja tri leta, vendar Iter ni bil vedno v tako dobri kondiciji. Projekt, ki ima korenine v sporazumu Reagana in Gorbačova sredi osemdesetih, je zaostajal za roki tako rekoč od začetka, ko je bil pred tremi desetletji izrisan osnovni načrt reaktorja. Raziskave in gradnjo podpirajo najmočnejša gospodarstva na planetu, kjer živi polovica prebivalstva: EU prispeva dobrih 45 odstotkov, ZDA, Kitajska, Rusija, Japonska, Južna Koreja, Indija pa vsaka dobrih devet odstotkov.

ZDA so pod predsedovanjem Billa Clintona leta 1999 že zapustile znanstveno zavezništvo, na začetku leta 2003, ko je predsedniški položaj prevzel George W. Bush, so se mu znova pridružile. Uradni sporazum je bil podpisan leta 2006 v Parizu, ko so tudi izbrali lokacijo kompleksa.

A neučinkovita organizacija, ki je bolj kot na podjetje spominjala na debatne krožke v Združenih narodih ali v Davosu, je Iter leta 2013 pripeljala na rob obstoja. Prazno gradbišče, nerealni roki in milijoni evrov brez vidnega učinka, predvsem pa pomanjkanje vizije in načrta, kako premakniti gigantski projekt z mrtve točke, so povzročili resne razmisleke, predvsem v ZDA, o umiku iz projekta, ki bo po zadnjih izračunih stal 15 milijard evrov.
 

Direktor, ki je rešil Iter


500

megavatov moči bo predvidoma generiral tokamak


Pred tremi leti, po uničujoči neodvisni analizi projekta, so direktorsko mesto zaupali Bernardu Bigotu, ki je pred tem vodil francosko državno agencijo za jedrsko energijo. Bigot je spremenil način organizacije vodenja, zahteval popolno svobodo pri sprejemanju odločitev, postavil realne roke in prepričal politike v smiselnost naložbe. Prvo plazmo napoveduje za božič leta 2025.

»Vsakokrat, ko se vrnem s potovanja, sem osupla, kaj vse je medtem zraslo. Za vse to se lahko zahvalimo gospodu Bigotu,« pove Sabina Griffith pred panoramsko steno nadzornega središča. »Če bi bil projekt pred tremi leti pokopan, bi to pomenilo konec upanja za fuzijsko elektriko za prihodnjih petdeset let,« pristavi.

3

litri vode in desetinka grama tritija nadomestijo 10.000 ton premoga

Torej je zdaj upanje za varno, poceni in neomejeno energijo fuzijskih elektrarn realno? »Če deluje na soncu, zakaj ne bi pri nas,« Bigot z optimizmom, ki ne dopušča dvoma, odgovori na naše zadnje vprašanje v konferenčni sobi nadzornega centra Itra in odvihra na gradbišče – direktor, tiskovni predstavnik, glavni nadzorni delavec in odrešitelj v eni osebi.

•••

Optimizem in zanos direktorja Bernarda Bigota sta nalezljiva. Posebno ko pomislimo, da sam ne bo dočakal končnih rezultatov svojega dela. Kako daleč je to od prevladujoče družbene paradigme. Prav mogoče je, da bodo fuzijsko elektriko dočakali šele otroci naših otrok: to je bil prvi delujoči fuzijski reaktor – prvi, ki so ga kot prikaz tehnologije, ki je rešila človeštvo, priključili na omrežje, bodo govorili svojim otrokom. In kaj je bilo tako težkega, zapletenega, da je trajalo več kot sto let, da so ukrotili fuzijo, bodo spraševali mladi. Najtežje je bilo povezati narode, dopovedati ljudem, da se splača vlagati v sanje – v idejo, ki bo obrodila sadove šele, ko njih ne bo več. Največji dosežek Itra je bil, da je navdihnil ljudi, da so začeli verjeti v mirno in čisto prihodnost. Iter v latinščini pomeni pot.