Naučnici okupljeni u jednom od najvećih istraživačkih konzorcijuma EUROfusion, postavili su novi rekord u stvaranju energije nuklearnom fuzijom, procesom koji se odvija na Suncu.

Fuzija je neka vrsta svetog grala energije jer bi mogla da proizvodi potpuno čistu energiju iz vodonika bez emisije CO2 i bez radioaktivnog ili drugog ekološki problematičnog otpada.

Fuzijom je stvorena energija od neverovatnih 59 megadžula

U novom eksperimentu sprovedenom u JET-u (Joint European Torus), najvećem i najmoćnijem operativnom fuzionom uređaju – tokamaku – na svetu, stvorena je energija od neverovatnih 59 megadžula. To je više nego dvostruko od prethodnog rekorda od 22 megadžula iz 1997. godine, koji je takođe postavljen na JET-u.

Inače, tokamak je mašina za proizvodnju toroidalnog magnetskog polja za razgraničenje plazme. To je jedan od najviše istraživanih kandidata za proizvodnju kontrolisane termonuklearne fuzione energije. U novije se vreme uređaji ovakvog tipa nazivaju zajedničkim imenom fuzioni reaktori.

Zanimljivo je da je za generisanje ove rekordne energije bilo potrebno samo 0,17 miligrama mešavine fuzionog goriva teških izotopa vodonika – oko 0,1 mg tricijuma i 0,07 mg deuterijuma. Poređenja radi, za proizvodnju iste količine energije iz fosilnih izvora bilo bi potrebno 10 miliona puta više goriva – oko 1,06 kg prirodnog gasa ili 3,9 kg lignita.

Zašto je ovo važno dostignuće?

Najveći tehnološki izazov fuzije je to što gorivo mora biti u stanju da se dobro kontroliše na ogromnim temperaturama, odnosno u uslovima sličnim onima u centru Sunca. Naime, fuzija, odnosno stapanje lakših atoma u teže, inicira se samo u takvim ekstremnim uslovima. Nije problem postići ih u nuklearnoj eksploziji jer je njena svrha uništenje, ali je problem to učiniti u kontrolisanim uslovima i dugotrajno što je potrebno za stvaranje energije u termoelektranama. Na primer, temperatura u srcu plazme u novom eksperimentu bila je 150 miliona stepeni Celzijusa, što je oko 10 puta više od temperature u centru Sunca.

Novi rekord je značajno dostignuće, jer po prvi put pokazuje da je moguće proizvesti i održati visok nivo fuzije koristeći potpuno istu mešavinu deuterijum-tricijuma (D-T) goriva kao što je planirano za buduće fuzione elektrane. U tom smislu, JET je ključna ispitna stanica za početak Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER), jednog od najvećih kolaborativnih naučnih projekata u istoriji, koji se gradi na jugu Francuske, uz podršku sedam članica – Kine, Evropska unija, Indija, Japan, Južna Koreja, Rusija i Sjedinjene Države.

Rezultati potvrđuju da smo na pravom putu

Komentarišući novi rekord, izvršni direktor ITER-a dr. Bernard Bigot je rekao:

“Trajni puls fuzije deuterijum-tricijuma na ovom energetskom nivou, a reč je skoro o industrijskim razmerama, velika je potvrda svima koji su uključeni u globalnu potragu za fuzijom. Rezultati JET-a su izuzetno važni za ITER jer potvrđuju da smo na pravom putu da pokažemo punu snagu i potencijal fuzione energije.

U ovom trenutku, JET je jedini uređaj te vrste koji može da radi na D-T gorivo, što ga čini idealnom lokacijom za pripreme ITER-a.

Podudaranje između eksperimenata i kompjuterskih modela

Što je još važnije, novi eksperiment je omogućio detaljno proučavanje svih relevantnih procesa u postojanoj visokoenergetskoj plazmi. Glavni rezultat je veoma dobro podudaranje između eksperimenata i kompjuterskih modela. Ovo omogućava naučnicima da se pripreme za još ambicioznije eksperimente u ITER-u i drugim fuzionim uređajima.

Raniji eksperimenti u postrojenjima širom sveta ispitivali su sastojke goriva odvojeno, ne koristeći D-T mešavinu, već čisti vodonik ili deuterijum. Ovo je prvi put da su stručnjaci za fuziju uspeli sve da povežu i istraže tačno uslove koji se očekuju u budućim fuzionim elektranama.

Potrebni su veći i napredniji uređaji da bi se prešlo na veću snagu fuzije tokom dužeg vremenskog perioda, što će morati da se uradi u budućim elektranama. Međunarodni projekat ITER ima za cilj da demonstrira 500 megavata fuzione snage u trajanju do jednog sata.

Zašto je 5 sekundi dovoljno za ove eksperimente?

Stručnjaci na kraju nastoje da postignu dugotrajno održavanje fuzije u stabilnom stanju. Novi eksperiment je pokazao da je moguće održati visok nivo fuzione energije 5 sekundi. Granicu od 5 sekundi trenutno postavljaju bakarni kalemovi elektromagneta u JET-u jer se zagrevaju tokom rada, pa je maksimalno moguće trajanje eksperimenta samo 20 sekundi. To neće biti slučaj u ITER-u jer će koristiti magnete koji će se hladiti helijumom na temperaturi od oko -269 °C. Ali čak i tih pet sekundi je deset puta duže od tipičnog vremenskog okvira procesa prenosa toplote plazme.

Uloga hrvatskih naučnika u eksperimentima

Važnu ulogu u postizanju novog rekorda imali su i hrvatski naučnici sa Instituta Ruđer Bošković (IRB).

Dr. sc. Tonči Tadić, šef hrvatskih fuzionih aktivnosti u okviru konzorcijuma EUROfusion i koordinator Saveta evropskog projekta DONES-PreP, kaže da su ovi rezultati potvrda da će ITER raditi odlično.

„U eksperimentu iz 1997. unutrašnji oklop JET tokamaka okrenut plazmi je napravljen od poroznih ploča od ugljeničnih vlakana. Iako su dobro izdržale temperature do 3000 ℃, apsorbovale su fuziona goriva – gasove deuterijuma i tricijuma – pa se reakcija gušila. Ujedno se stvarala velika količina ugljenične prašine koja je takođe apsorbovala fuziono gorivo. Od tada se težilo izbegavanju apsorpcija goriva u zidovima korišćenjem oklopa od volframa i berilijuma, kakvi se danas koriste. Raniji eksperimenti su 2014. vođeni sa posebnim oprezom jer nije bilo jasno kakav je sastav fuzione prašine u novim uslovima, odnosno koliko ona upija fuziono gorivo i da li je samozapaljiva i eksplozivna“, rekao je Tadić.

U ovom segmentu značajna je bila uloga hrvatskih naučnika.

„Sve ove nedoumice su razrešene analizom fuzionih čestica prašine koja je sprovedena od 2017. do 2020. godine na RBI jonskoj mikrosondi, u saradnji sa kolegama iz Velike Britanije, Švedske i Poljske. Tako da je bilo bezbedno ići na jače zagrevanje plazme. Uloga Hrvatske, tačnije IRB, trebalo je da analizira čestice fuzione prašine koje nastaju kada vruća fuziona plazma udari u unutrašnji oklop fuzionog reaktora JET. Oklop je od 2014. napravljen od volframa sa graničnicima od berilijuma. Ovo je učinjeno kako bi se smanjila apsorpcija fuzionog gorivo u JET-u. Uprkos činjenici da je bilo manje prašine sa volfram pločama i iako je upijanje goriva bilo manje, stalno se postavljalo pitanje sastava nove fuzione prašine, da li ona upija gorivo itd. To je bilo važno i za sigurnost ITER-a. Naime, svi eksperimenti na JET-u izvode se u konfiguraciji koja odgovara onoj kakva će biti u ITER-u. Pokazali smo da se fuziona prašina mahom sastoji od volframa, sa nešto berilijuma, nešto nikla i gvožđa iz vakuumske posude tokamaka JET i vrlo malo goriva za fuziju, što je bio dobar znak. Te ključne informacije omogućile su nastavak eksperimenata na JET-u, s većom energijom grejanja plazme i većim količinama fuzionog goriva“, objasnio je Tadić.

Kakvi su budući planovi nakon rekorda u JET-u?

Rekord je postavio tim od 4.800 istraživača, stručnjaka, studenata i osoblja iz cele Evrope u okviru konzorcijuma EUROfusion, koji finansira Evropska komisija, čiji su neizostavni deo eksperimentalni fizičari sa IRB-a.

U procesu realizacije fuzije kao izvora energije, ključni korak je da naučite kako da kreirate i kontrolišete visokoenergetske plazme. Da bi to postigli, naučnici sprovode eksperimente na uređajima kao što je JET, najveći operativni tokamak koji se nalazi u Upravi za nuklearnu energiju Ujedinjenog Kraljevstva.

„JET se priprema za razgradnju u narednim godinama. Svi ovi podaci biće korisni za planiranje eksperimenata na ITER-u. Uprkos Covid-19, ITER će ipak biti završen početkom 2027. Sve do 2031. trebalo bi raditi sa plazmom helijuma, pojačavajući snagu grejanja plazme, pojačavajući volframov oklop i uz stalno učenje kako se plazma ponaša na 10 puta većem volumenu. To nisu linearni procesi. Tek nakon 2031. će se pristupiti dodavanju deuterija u ITER. Reakcija sa deuterijumom i tricijumom u ITER-u se očekuje tek 2035. Kada ITER dobije „goruću plazmu“ s D-T reakcijom, uz 10 puta veću izlaznu energiju od one uložene u grejanje plazme, to će biti uspeh vredan Nobelove nagrade jer nakon toga više ništa neće biti isto“, istakao je Tadić.

Izvor: Index.hr