Krajem 2022. zabilježen je napredak na polju nuklearne fuzije u laboratoriji Lawrence Livermore National Laboratory.

Piše: prof. dr. Lamija Tanović, profesorica fizike u penziji

U procesu cijepanja velikog atomskog jezgra (fisija) kao i u procesu spajanja lakih jezgara u teža (fuzija) mali iznos mase (tzv. defekt mase) se pretvori u energiju prema čuvenoj Einsteinovoj relaciji E=mc2. Iako je to mala masa, kada je pomnožena sa ogromnim brojem kvadrirane brzine svjetlosti c (c=300000 km/s; c2=9000000000000 km/s), to daje ogromnu energiju. Dobra ilustracija defekta mase pri fisiji i fuziji prikazana je na slici 1.

 

Slika 1: a) fisija; b) fuzija

 

Dok se pri nuklearnoj fisiji veliko jezgro raspada na nekoliko manjih, u nuklearnoj fuziji više lakih jezgri atoma se spajaju u težu jezgru i pri oba ova procesa se oslobađa energija.

Šta je prednost energije koja se dobije nuklearnom fuzijom u odnosu na onu koja nastaje nuklearnom fisijom? Prije svega, energija iz fuzije je mnogo veća od one koja se dobije fisijom:

Pri pretvaranju 1g vodonika u procesu fuzije oslobodi se 7.6 puta više energije nego pri pretvaranju 1 g urana pri procesu fisije. Pored toga, produkti fuzije nisu radioaktivni i ne postoji  problem skladištenja radioaktivnog otpada kao kod goriva koje se koristi u fisiji.

Nuklearna fuzija je onaj proces koji se dešava na Suncu i koji nam daje ogromne količine energije. Površina sunca ima temperaturu od oko 6000 stepeni, ali u njegovoj unutrašnjosti temperatura se penje na 15 miliona stepeni. Na toj temperaturi je srednja kinetička energija čestica dovoljno velika da nadvlada odbojnu električnu silu te tako nastaje termonuklearna fuzijska reakcija. Tamo se spajaju četiri jezgra vodonika u jedno jezgro helijuma pri čemu se dio mase pretvara u energiju.

Problem je, međutim, kako jezgrama u laboratorijskim uslovima dati dovoljno kinetičke energije da prevladaju odbojnu električnu silu i spoje se u teže jezgro? Treba ih zagrijati na dovoljno visoku temperaturu.

Kako ostvariti tu visoku temperaturu, kao na Suncu,  u ograničenom laboratorijskom području pa da započne odvijanje termonuklearnih fuzionih procesa  brzinom koja će osloboditi dovoljno energije da se održavaju uslovi (temperature i gustoće) za samoodrživu fuzionu reakciju i da se dobije dovoljno energije za upotrebu? I ne samo to, na ovako visokim temperaturama svaki materijal prelazi u tzv. četvrto agregatno stanje – stanje plazme. Plazma ili jonizovani gas je sastavljena od elektrona i jezgara. Atomi su u njoj pocijepani na pozitivna jezgra i negativne elektrone, ali je plazma u cijelosti neutralna.

Postoje vrlo strogi zahtjevi za postizanje fuzije u eksperimentalnim uslovima na zemlji. Oni su čak strožiji nego uslovi u kojima se postiže nuklearna fuzija na suncu. Na temperaturi od 15 miliona stepeni na Suncu od mnoštva sudara jezgara vodonika samo vrlo rijetki ostvare fuziju. Zbog toga što u eksperimentalnom postrojenju broj uspješnih nuklearnih fuzija mora biti veći da bi taj proces bio samoodrživ, neophodna je viša temperatura nego u unutrašnjosti sunca – temperatura od čitavih 100 miliona stepeni. I ne samo to, potrebna je vrlo velika gustina materijala koji je na tako visokoj temperaturi u plazmenom stanju. Ta gustina je reda veličine 2-3 x 1020 čestca (jona) po kubnom metru. Taj veliki pritisak za održavanje ovako velike gustine čestica (da bi bilo što više sudara) neophodno je ostvariti u strašno kratkom vremenu, ne većem 0d 1.2 sekunde.

J. D. Lawson je pokazao da gustoća jona (n)  i vremenski interval unutar kojeg je plazma na temperaturi koja osigurava fuziju t (confinement time) moraju biti dovoljno veliki da osiguraju više energije proizvedene fuzijom nego što se utroši na zagrijavanje plazme. To je poznati Lawsonov kriterija koji se izražava jednostavnom relacijom: temperatura, gustoća plazme i vrijeme ograničavanja – “confinement time”-  svi moraju biti istovremeno zadovoljeni i moraju imati vrijednost u određenom intervalu.

·         Visoka temperatura od oko 100 miliona stepeni je nužna radi savladavanja Coulombove odbojne sile između pozitivnih jezgri. Na ovim temperaturama, svi atomi su jonizovani, sistem se sastoji od jezgri i elektrona – to je plazma.

·         Gustoća jona plazme, n: broj jona u plazmi mora biti visok kako bi što češće dolazilo do sudara jona (veća gustoća iona – veći broj pokušaja fuzije), n=2-3×1020 jona/m3.

·         Plazma “confinement time”, t: Vremenski interval unutar kojeg su joni plazme na temperaturi  koja osigurava fuziju, mora biti t=1,2 s.

  • U čemu “držati”  plazmu  na visokoj gustoći i temperaturi od 100 miliona stepeni za vrijeme od 1 sekunde? Koji materijal može podnijeti tu temperaturu, a da se ne rastopi i ispari?
  • Za realizaciju ovih komplikovanih eksperimentalnih zahtjeva koriste se dvije tehnike:
    • magnetni “confinement”- ograničenje
    • inercijalni “confinement”- ograničenje

Magnetno ograničenje (confinement) plazme se ostvaruje u specifičnom uređaju poznatom kao Tokamak. To je toroidalni uređaj u kojem dva ukrštena magnetna polja prostorno ograničavaju i stabilizuju plazmu držeći je odvojenu od zidova. Sama riječ je akronim naziva takvog uređaja na ruskom jeziku (тороидальная камера с магнитными катушками) što u prevodu znači “toroidalna komora sa magnetnim navojima”.

Princip rada tokamaka zasniva se na postojanju izmjeničnog magnetnog polja koje inducira kružnu struju kroz plazmu (sl.2) (plazma se ponaša kao sekundar transformatora), a magnetno polje te struje obuhvata i komprimira plazmu (i tok struje i prateća kompresija griju plazmu) (Sl.3).

 

Slika 2

Slika 3

Inercijalno ograničavanje (confinemenet) plazme temelji se na ideji da se Lawsonov kriterij ostvari kombinacijom jako visoke gustoće  jona u kratkom vremenu “confinementa” svega od  10-11do 10-9 sekundi. Fuzija se vrši sa više snažnih laserskih snopova. Palete smrznutog deuterijuma se bombarduju unakrsnom vatrom iz više lasera (sl. 4 i 5).

 

Slika 4

 

Slika 5

 

U tehnici inercijalnog sabijanja plazme se mala kapsula, koja sadrži atome vodonika prečnika oko 1mm, bombarduje fokusiranim laserskim snopom visoke energije. Kapsula se tako zagrije i eksplodira prema vani brzinom od 1000 km/s. Po zakonu akcije-reakcije izlazne čestice uzrokuju snažni kompresijski udarni talas na jezgru kapsule. Za vrijeme od 1 nano sekunde (milijarditi dio sekunde) izvrši se kompresija brzinom od 100 km/s pri čemu se radijus kapsule smanji za oko 50 puta. Kompresijski udarni talas povećava pritisak i temperaturu i stvara uslove za pojavu fuzije.

Slika 6

Koji su to fuzioni uređaji bazirani na magnetnom ograničenju plazme?

Iako je u cijelosti elektroneutralna, plazma provodi elektricitet jer se sastoji od elektro-negativnih elektrona i elektro-pozitivnih jezgara. Ako je stavimo u magnetno polje, u njoj će se inducirati struja koja će nastojati poništiti vanjsko magnetno polje (potisnuti ga van iz plazme). Magnetne silnice obilaze plazmu i pri tome polje vrši pritisak, koji nastoji ograničiti širenje plazme. Tako se princip rada tokamaka zasniva na postojanju izmjeničnog magnetnog polja koje inducira kružnu struju kroz plazmu (plazma se ponaša kao sekundar transformatora), a magnetno polje te struje obuhvata i komprimira plazmu tako da i tok struje i prateća kompresija griju plazmu (sl.7).

Slika 7

 

Većina investicija za ostvarenje fuzije se slijeva u metodu koja koristi magnetno ograničavanje plazme, tj. u reaktore zasnovane na tokamak principu. Reaktor, koji zovemo udruženi evropski torus – Joint European Torus – JET, koji je smješten blizu Oxforda u Velikoj Britaniji, počeo je sa radom 1983. Godine (sl.8). Kada je u pogonu, predstavlja najtopliju tačku u solarnom sistemu dostižući temperature od 150 miliona stepeni Celzijusa. Ranije ove godine JET je održao reakciju tokom 5 sekundi i proizveo rekordnih 59 megadžula toplotne energije.

Slika 8 – Izgled JET tokamaka



Veći i kompleksniji sistem od JET-a, International Thermonuclear Experimental Reactor (Međunarodni Termonuklearni Eksperimentalni Reaktor) – ITER u Francuskoj, se uskoro završava i očekuje se da njegovi prvi eksperimenti počnu 2025. godine (sl.9).

 

 

 Slika 9 – Izgled ITER postrojenja

 Šta se dogodilo 5. decembra2022. u Lawrence Livermore Laboratoriji?

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) u Kaliforniji i njegovo postrojenje koje se zove National Ignition Facility – NIF koristi ovaj drugi pristup koji je poznat kao inercijalna konfinirajuća fuzija – inertial confinement fusion ICF. U njemu se sićušna kapsula koja sadrži vodonik dovodi do eksplozije laserima, zagrijava se i naglo ekspandira. To stvara jednaku i suprotnu reakciju prema unutra što komprimira gorivo – vodonik. Ta kompresija prisiljava atome vodonika da se fuzioniraju stvarajući teže elemente uz gubitak izvjesne mase koja se pretvara u energiju baš kao na suncu.

12. decembra ove godine na konferenciji za medije Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) je obavijestila javnost da je 5. decembra ostvaren eksperiment u kojem je njihovo postrojenje National Ignition Facility (NIF) fuzionog reaktora dobilo izlaznu energiju od 3.15 megadžula od ulaznih 2.05 megadžula laserske energije. To naprosto znači da je ostvaren energetski dobitak od oko 150 posto. Sve do sada, svi fuzioni eksperimenti su zahtijevali više ulazne energije od iznosa energije koju su stvarali. NIF-ov prethodni rekord iz augusta ove godine dao je izlaznu energiju koja je iznosila samo 72 posto od uložene energije s tim što se nije uzela u obzir energija za napajanje lasera. Ovo je do sada najbolji rezultat od kada se rade ovi eksperimenti fuzije, a to je posljednjih 50 godina.

Već decenijama eksperimenti fuzije prave male pozitivne korake obećavajući da će čovječanstvo u nekoj budućnosti dobiti neograničene količine energije i osloboditi se načina sadašnje proizvodnje energije koja ozbiljno ugrožava okolinu. Međutim, pitanje je kada će se to desiti? Svakako treba pozdraviti uspjehe ovakvih eksperimenata, ali isto tako ne treba imati nerealna očekivanja jer je put do realizacije fuzionih reaktora za primjenu još veoma dug i neizvjestan. I baš zbog toga, nerealno je očekivati da ćemo se tako skoro riješiti “prljave energije” što je važno da znaju ekološki pokreti kako bi nastavili svoju važnu borbu.

Povezano: 

Fuzioni reaktori, dokle smo

Fuziona energija, novi koraci, Lawrence Livermore lab