Od fisije do fuzije pod eno streho: kaj raziskujejo na jedrskem reaktorju blizu Ljubljane

Na raziskovalnem reaktorju Triga Instituta Jožef Stefan (IJS) v Podgorici pri Ljubljani, v katerem je prva verižna reakcija stekla 31. maja 1966 ob 14.15, so se v šestdesetih letih izobraževali številni operaterji Nuklearne elektrarne Krško, jedrski fiziki in raziskovalci drugih ved tako iz Slovenije kot tujine. Tudi danes, kljub starosti, ostaja ena ključnih in sodobno opremljenih raziskovalnih in izobraževalnih infrastruktur. O svojih raziskavah so spregovorili Jan Malec, Anže Mihelčič in Julijan Peric, raziskovalci na IJS in doktorski študenti Fakultete za matematiko in fiziko UL.

Približno polovico obratovalnega časa raziskovalnega reaktorja namenijo raziskavam, drugo polovico izobraževanju in usposabljanju. Med drugim izvajajo osnovne in aplikativne raziskave, testiranja materialov, nevtronsko aktivacijsko analizo, sodelujejo pri razvoju radioterapije z zajemom nevtronov in pri preučevanju vpliva sevanja na mutacije rastlin. V razmerah močnega sevanja testirajo tudi nove detektorje in elektronske komponente, ki jih v okviru nadgradnje velikega hadronskega trkalnika razvijajo v Evropski organizaciji za jedrske raziskave (Cern). Poleg tega reaktor pomembno sodeluje pri največjem mednarodnem fuzijskem projektu Iter v Franciji.

Simulacije jedrskih reakcij

Jan Malec zbira in analizira jedrske podatke. »Med drugim preučujem dogajanje v sredici reaktorja v Jedrski elektrarni Krško in izvajam simulacije.« Predvsem je pomembno, kaj se zgodi z nevtroni. »To so delci, ki skupaj z elektroni in protoni sestavljajo atome. Nevtroni so tisti, ki v jedrskem reaktorju sprožajo cepitev jeder, omogočajo verižno reakcijo in povzročajo transmutacije atomov v druge izotope ali elemente. Z računalniškimi simulacijami ugotavljamo, kako se nevtroni premikajo po reaktorju in kakšne reakcije sprožajo,« opisuje.

Večino dela opravi za računalnikom, nato sledita eksperimentalno preverjanje in opravljanje različnih testiranj. »Preveriti moramo, ali izračuni veljajo v realnem svetu. In pri teh eksperimentih je Triga ključna.« Malec med drugim sodeluje pri testih, ki jih v krški elektrarni opravijo vsakič, ko zamenjajo gorivo in zatem na novo zaženejo obratovanje. »Raziskovalci IJS najprej neodvisno izračunamo, kako se bo naslednja sredica reaktorja v Krškem obnašala, kar simuliramo na računalniku. Ko zamenjajo del goriva in sestavijo novo sredico reaktorja, v njihovi komandni sobi izmerimo, ali se vse obnaša tako, kot smo izračunali.« Do zdaj so bili tako simulacije kot realno stanje usklajeni. »Če ne bi bili, bi morali ugotoviti, ali je kaj narobe z našimi izračuni ali smo spregledali kaj drugega.«

Pri svojem delu uživa, saj ima, kot pravi, »zelo rad uran, cepitev urana in reaktor«. »Na svetu je veliko raziskovalcev, ki delajo jedrske simulacije, a številni niso nikoli neposredno delali ob reaktorju. Nekaj najboljšega je, ko lahko zaženeš reaktor, da preveriš svoje delo. Pri nas imamo srečo, ker imamo tako dobro infrastrukturo kot odličen kader, ki reaktor redno uporablja in je sposoben pripraviti in izvesti tako rekoč vse eksperimente, ki si jih zamislimo,« poudarja sogovornik, ki ga številni predvsem mlajši poznajo tudi kot popularizatorja znanosti. Na omrežju tiktok je namreč na poljuden in zabaven način predstavil utrinke z reaktorja Triga. »Pogosto se mi zgodi, da ob dnevih odprtih vrat srednješolci pokomentirajo, da me poznajo s tiktoka,« pravi. »V odzivih na objave na družbenih omrežjih opažam, kako se je spremenil pogled javnosti na jedrsko tehnologijo, ki obsega precej več kot le jedrske elektrarne. Včasih je bila javnost proti, danes pa ljudi področje zanima. V jedrski tehnologiji vidijo možnost, kako se boriti proti podnebnim spremembam ali drugim sodobnim problemom. Zdi se mi, da je to res velika družbena sprememba.«

Strokovnjaki poudarjajo, da ob naraščajočih potrebah po energiji in v želji, da se poslovimo od fosilnih goriv, brez uporabe jedrske energije ne bo šlo. »Če je glavni namen blaženje podnebnih sprememb, kratkoročno ne smemo zanemariti trenutnih jedrskih reaktorjev. Ti so na voljo danes in lahko že danes proizvajajo nizkoogljično elektriko. Za prihodnost pa je nujno, da pogledamo vse tehnologije, ki lahko pomagajo v procesu dekarbonizacije elektrike. Nujne bodo nove tehnologije,« pravi Malec.

Prilagodljivi reaktor za različne potrebe

Med novimi tehnologijami, ki jih raziskujejo, so tudi mali modularni reaktorji. Anže Mihelčič v doktorskih raziskavah išče rešitve za še sodobnejši tip reaktorja – prilagodljiv z izmenljivimi komponentami. Projekt, ki ga vodi prof. dr. Luka Snoja, vodja Odseka za reaktorsko fiziko na IJS, so poimenovali Darwin po očetu evolucijske teorije. »Bistvo tega novega koncepta je, da bi z njim reševali različne probleme – od blaženja podnebnih sprememb do ukrepanja po ekstremnih dogodkih, kot so poplave,« pravi Mihelčič. Velike jedrske elektrarne proizvedejo veliko električne energije z nizkimi emisijami toplogrednih plinov, a je njihovo delovanje optimizirano za pasovno obratovanje. »Veliki reaktorji so bili do zdaj namenjeni enemu oziroma dvema načinoma uporabe, na primer za kogeneracijo toplote in proizvodnjo elektrike. Raziskovalni reaktorji so že nekoliko bolj fleksibilni, saj omogočajo še kakšno raziskavo, a so še vedno bolj ali manj stacionarni.«

Ideja Darwina pa je, da se lahko reaktorska sredica in sekundarni sistemi prilagodijo specifičnim potrebam. »Na primer, da bi ga lahko hitro pripravili za črpanje vode ob poplavah, da bi lahko z njim proizvajali radioaktivne izotope, ki jih potrebujejo v medicini, pa za desalinacijo vode, sterilizacijo vode, proizvodnjo vodika,« opisuje. »Pri doktoratu se ukvarjam z načrtom optimizacije posameznih modulov, ki bi sestavljali sredico takšnega reaktorja. Hkrati pa v projektu obravnavamo tudi druge vidike, od same arhitekture in gradnje, strojništva in drugih inženirskih rešitev do ekonomskih izračunov,« pravi. Na podlagi potreb bodo zasnovali niz spremenljivih reaktorskih elementov, ki se bodo ukvarjali s štirimi predvidenimi zasnovami modulov: modulom za hitro odzivanje, modulom z visokim fluksom nevtronov, modulom z visoko temperaturo in modulom z naravnim jedrskim gorivom, naštevajo v projektni dokumentaciji. »Module bi lahko sestavljali v različne konfiguracije in reševali konkretne probleme.« Na ključni točki projekta bodo obravnavali temeljne lastnosti zasnov reaktorja, kot so kritičnost, nadzor reaktivnosti, hlajenje, jedrski odpadki in povezljivost elementov.

Šlo bi za manjši reaktor. »Govorimo o mikroreaktorjih z močjo do nekaj megavatov. Ni cilj, da bi bil najboljši, ampak dober za vse, kot nekakšen švicarski nož.« Za zdaj, ker so še na začetku projekta, se v raziskavah ne omejujejo konkretno, s kakšnim gorivom bi deloval, vendar pa v simulacijah in izračunih predvidevajo uporabo običajnega goriva in hladila, kot sta uranov dioksid in voda, pravi Anže Mihelčič.

O modularnih reaktorjih se razpravlja že leta, a še niso realnost, tudi prilagodljivi reaktorji bodo verjetno na voljo šele daleč v prihodnosti. »A raziskave potrebujemo že zdaj. Takšni projekti, čeprav dolgosežni, pripomorejo k splošnemu razvoju. Vsak vložek v znanost lahko prinese napredek za človeštvo. Dober primer so vesoljski poleti, od katerih neposredno večina ljudi ni imela nič, je pa človeštvo zaradi raziskav in razvoja dobilo marsikatero tehnologijo, ki jo še danes uporabljamo. Podoben primer je Cern, od koder smo dobili svetovni splet pa še marsikaj drugega v medicini in drugih vedah.«

Jedrska fizika je Anžeta Mihelčiča pritegnila, ker lahko z delom pripomore k izboljšanju pridobivanja energije in razvoju novih tehnologij, zaradi česar bi bil naš svet lahko boljši. »Vsekakor pa je delo zanimivo samo po sebi, vendarle govorimo o raziskavah na reaktorju. Izjemno pomembna pa je tudi vrhunska raziskovalna skupnost. Skupina reaktorskih fizikov je razmeroma majhna, a se tako med seboj dobro poznamo in si lahko izmenjamo mnenja in nova znanja.«

S Katano do Iterja

Na fisijskem reaktorju pa izvajajo raziskave tudi za tehnologije jedrske fuzije. Pred dobrima dvema letoma so zagnali eksperimentalno napravo Katana, s katero proučujejo hladilni sistem prihodnjih fuzijskih reaktorjev, kakršen je Iter, poskusni tokamak, ki ga mednarodna skupnost gradi na jugu Francije. Na tem eksperimentu je glavnino svojih doktorskih raziskav opravil tudi Julijan Peric. »Preučujem aktivirano vodo za fuzijske aplikacije. Gre za pomembne raziskave pri zaščiti hladilnega sistema v Iterju in kar nekaj naših ugotovitev kaže, kako bi bila gradnja lahko cenejša in varnejša. Pred fuzijo sem se posvečal tudi fisiji, za magistrsko nalogo sem razvil merilec moči jedrskega reaktorja, ki meri svetlobo Čerenkova. Merilec je bil cenejši, v določenih primerih tudi učinkovitejši od uveljavljenih merilnih instrumentov,« razlaga Peric.

Aktivacija vode je proces, ki poteka v jedrskih reaktorjih. Vodo pogosto uporabljajo kot hladilno sredstvo tako v fisijskih kot fuzijskih reaktorjih. Aktivacija kisikovih izotopov kot posledica obsevanja z nevtroni pa pomeni, da hladilne zanke postanejo znaten časovno in prostorsko odvisen vir sevanja. »Voda je ob jedrskem gorivu obsevana z nevtroni, posledično nastaja dušik, ki nato razpada in seva. Pri fisijskih reaktorjih težava ni bila velika, ker je verjetnost za to reakcijo razmeroma majhna. V fuzijskih reaktorjih pa bo energija nevtronov bistveno višja in s tem bo večja tudi verjetnost reakcij.« Zato bo potrebna učinkovitejša zaščita. »Okoli našega reaktorja je do tri metre betona in pet metrov vode. V Iterju pa je načrtovano, da bo voda po ceveh tekla na ohlajanje še v drugo stavbo, in dogajanje v tej zanki je treba dobro raziskati. V naši Katani imamo v zanki približno deset metrov cevi in simulacija dogajanja traja približno en dan. V Iterju bo cevi več kot 50 kilometrov.« Zanka v Katani ni le bistveno krajša, je tudi bolj preprosta, nadaljuje raziskovalec. Vendar dovolj dobra, da lahko izdelajo natančne modele, ki so za jedrski svet nujni. »Preizkušamo lahko nove metode izračuna simulacij in jih primerjamo z rezultati eksperimentov. Če se številke ujemajo, lahko sklepamo, da je naš način simuliranja sistemov pravilen in ga lahko preračunamo na večjem obsegu.«

Mnenja fuzijske skupnosti o tem, ali je voda sploh ustrezna hladilna tekočina za fuzijske reaktorje, so različna, pravi Peric. »Voda je dokaj poceni, dobro jo poznamo, prav tako znamo spreminjati toploto iz vode v električno energijo. Je nenevarna snov in ima zelo dobro hladilno kapaciteto. Na drugi strani nekateri zagovarjajo hlajenje s plini, predvsem s helijem. A ta je drag, tudi ga ni na pretek, prav tako ni izjemno učinkovit. Nekateri predlagajo uporabo tekočih kovin ali soli,« razlaga. V odcepljenem podjetju Massachusetskega tehnološkega inštituta (MIT) Commonwealth Fusion Systems načrtujejo uporabo helija, v eksperimentalnem reaktorju Joint European Torus (JET) v Veliki Britaniji, ki je zdaj že nehal delovati, so uporabljali vodo. »Na JET smo opravljali podobne eksperimente kot pri nas na Katani in so ugotovitve sovpadale. Toda hladili so le sistem za gretje plazme in sisteme magnetov, ne pa tudi stene tokamaka, kot bo to v Iterju.« Naprava Katana, ki so jo razvili slovenski raziskovalci, se je izkazala za izredno uporabno in uspešno. »Uspešno smo izvedli več eksperimentalnih kampanj, vzpostavljamo že nove. Na njej so se učili naši študenti in delali raziskovalci iz desetih mednarodnih skupin. Nadaljujemo delo za Iter, med drugim bomo preverili dele ščitov, kako se odzivajo na aktivirano vodo,« še pravi raziskovalec, ki ga je za fuzijo navdušil njegov mentor pri doktoratu prof. dr. Vladimir Radulović.

Raziskovalci vseskozi iščejo optimalne rešitve: učinkovite, preproste in izvedljive. Takšen je po besedah Perica tudi raziskovalni reaktor Triga. »Narejen je bil z mislijo na raziskovalce in študente. Reaktor ne more delovati brez ljudi – brez njih bi bil le kup betona, aluminija in nekaj malega urana in bora. Okoli njega se je v vseh teh letih razvila skupnost študentov, profesorjev, raziskovalcev in podpornega osebja, pa tudi širše družbe, ki nas sprejema v tem okolju. Imamo eno najboljših naprav na svetu za raziskave na jedrskem področju,« poudarja in dodaja, da s pozitivnimi besedami Trigo opisujejo tudi številni tuji raziskovalci. »Kar mi je najbolj všeč, je motiviranost celotne ekipe – vedno smo pripravljeni izvesti še kak dodaten eksperiment in hitro se dogovorimo, kako in kdaj. Všeč mi je ta raziskovalna svoboda, ko najprej v pisarni pripravim idejo in jo nato lahko preizkusim na reaktorju in povezanih napravah. Pri delu vsekakor uživam. Skoraj mi je lažje priti v službo kot oditi popoldne domov,« z nasmehom sklene Peric.