La Nuklearna energija decenijama igra ključnu ulogu u svetskom snabdevanju energijom. Međutim, energija izvedena iz nuklearna fuzija obećava još značajniju promjenu u energetskom pejzažu, nudeći praktično neiscrpni resurs s minimalnim emisijama radioaktivnog otpada. Uprkos svom potencijalu, ovaj fantastični proces je još uvijek u razvoju, s obzirom da tehnološke i ekonomske poteškoće nisu male. To je izazov koji naučnici širom svijeta neprestano istražuju kako bi nuklearnu fuziju jednog dana pretvorili u stvarnost kao stabilan komercijalni izvor energije.
U ovom članku ćemo proučiti šta je nuklearna fuzija, njene prednosti, izazove da postane komercijalni izvor i njenu važnost za globalnu energetsku budućnost.
Šta je nuklearna fuzija?
Nuklearna fuzija je drugačiji proces od nuklearne fisije, što je mehanizam koji se koristi u trenutnim nuklearnim elektranama. Dok fisija uključuje razdvajanje teških atoma, kao što su uranijum i plutonijum, fuzija uključuje spajanje lakših jezgara, kao što su atomi vodonika, da bi se formiralo teže, stabilnije. Rezultat ovog spoja oslobađa veliku količinu energije u obliku topline.
Najizvodljiviji proces do sada je fuzija deuterija i tricijuma, dva izotopa vodonika, da bi se dobio helijum. Tokom ove reakcije oslobađaju se i čestice poput neutrona. U slučaju fuzije deuterija i tricijuma, oslobađa se 17.6 MeV (miliona elektron volti) za svaku reakciju fuzije. Ova energija je znatno veća od one dobijene nuklearnom fisijom.
Jedna od glavnih prednosti nuklearne fuzije je ta što se deuterijum može ekstrahovati iz morske vode, što ga čini gotovo neograničenim u smislu opskrbe gorivom. S druge strane, tricijum, iako nije u tolikoj količini kao deuterijum, može se generisati u samim fuzionim reaktorima bombardovanjem litijuma neutronima.
Kako se radi nuklearna fuzija?
Postizanje nuklearne fuzije na Zemlji uključuje reprodukciju ekstremnih uvjeta, sličnih onima koji se javljaju u jezgri zvijezda. Da bi se atomske jezgre spojile, moraju savladati prirodno elektrostatičko odbijanje između sebe, a da bi to učinile moraju dostići temperaturu od miliona stepeni Celzijusa.
U eksperimentalnim reaktorima kao što su tokamaci i stelaratori, atomi se zagrijavaju na više od 100 miliona stupnjeva kako bi se stvorila dovoljna brzina i energija da se jezgra dovoljno približe i spoje. Na ovim temperaturama materija više nije u čvrstom, tekućem ili gasovitom stanju, već u stanju plazme, jonizovani gas naelektrisanih čestica.
Glavni problem fuzije je taj što na Zemlji ne postoji materijal koji može izdržati tako visoke temperature, a da se ne otopi. Stoga, u fuzijskim reaktorima, plazma mora biti ograničena snažnim magnetnim poljima koja je sprječavaju da dodirne zidove reaktora. Ovo je pristup magnetnom ograničenju, koji se sastoji od držanja plazme unutar toroidalne (prstenaste) geometrije pomoću supravodljivih magneta.
Drugi pristup je inercijalno zatvaranje, gdje se laseri ili snopovi čestica koriste za komprimiranje sićušnih deuterijum-tricij kapsula do ekstremno velike gustine, uzrokujući da se čestice spoje prije nego što imaju vremena da se prošire. Značajan primjer ovog pristupa je National Ignition Facility (NIF) u Sjedinjenim Državama, koji je postigao važne prekretnice u istraživanju inercijalne fuzije.
Strategije naučnog ograničavanja
Postoje dvije glavne tehnike kojima se pokušava postići kontrolirana nuklearna fuzija: magnetsko zatvaranje i inercijalno zatvaranje.
Magnetno zatvaranje: Ova metoda se temelji na korištenju snažnih magnetnih polja za zadržavanje vruće plazme. u reaktoru tokamakNa primjer, magneti u obliku toroida odgovorni su za držanje plazme podalje od zidova reaktora, omogućavajući da se proces fuzije odvija bez da se plazma ohladi prebrzo.
Jedan od najvećih izazova s ovom tehnikom je da samo dio čestica u plazmi uspijeva da se stopi. Da bi fuzija bila ekonomski održiva, mora se postići više od 50% efikasnosti plazme, poznato kao Lawsonov kriterijum. Iako Sunce koristi gravitaciono ograničenje zbog svoje ogromne mase, na Zemlji ne možemo ponoviti te pritiske, pa moramo dostići mnogo više temperature.
Inercijalno ograničenje: Umjesto sadržavanja plazme magnetnim poljima, inercijalno zatvaranje predlaže korištenje lasera ili zraka čestica za kompresiju kapsula deuterija i tricijuma. Ideja je da se kompresijom ovih kapsula do ekstremno velike gustine, a zatim njihovim brzim zagrijavanjem, pokrene fuzija prije nego što se čestice pomaknu previše.
Oba pristupa imaju svoje prednosti i nedostatke, a naučnici nastavljaju da istražuju koji pristup će učiniti fuzione reaktore komercijalno održivim.
Kada će biti komercijalno održiv?
Uprkos napretku postignutom posljednjih decenija, nuklearna fuzija je još nekoliko decenija daleko od komercijalno održive. Procjenjuje se da bi bilo moguće vidjeti prve komercijalne nuklearne fuzijske reaktore oko 2050. godine, iako taj datum uvelike ovisi o tehnološkom napretku i kontinuiranom finansiranju istraživanja.
Međutim, jedan od najperspektivnijih projekata je ITERS (International Thermonuclear Experimental Reactor), međunarodni napor koji ima za cilj da demonstrira tehničku i naučnu izvodljivost nuklearne fuzije putem magnetnog zatvaranja. Ako ITER testovi budu uspješni, nadamo se da bi to moglo utrti put za stvaranje komercijalnih reaktora baziranih na fuziji.
Još jedan značajan napredak bio je razvoj visokotemperaturni superprovodnici za magnete koji se koriste u fuzijskim reaktorima. Istraživači sa MIT-a razvili su supravodljivi magnet koji generiše mnogo snažnija magnetna polja od tradicionalnih magneta, uz mnogo manju potrošnju energije. Prema studijama, ova tehnologija bi mogla smanjiti troškove fuzijskih reaktora za faktor 40, čineći komercijalnu fuziju ne samo održivom, već i potencijalno konkurentnom u smislu troškova.
Da bi fuzija postala stvarnost, potreban je ne samo naučni proboj, već i šira međunarodna saradnja i politička i finansijska posvećenost podršci dugoročnim istraživanjima. Fuzija ima potencijal da bude čist, siguran i praktično neograničen izvor energije, ali zahtijeva održivo ulaganje i globalno koordinirane napore.
Nuklearna fuzija predstavlja ogromno energetsko obećanje koje će riješiti mnoge probleme sa kojima se naša civilizacija suočava u smislu održivosti i energetske sigurnosti. Međutim, naučni, tehnički i logistički izazovi sa kojima se ova tehnologija suočava su ogromni. Kako istraživanja napreduju, nadamo se da će u narednim decenijama fuzija konačno moći da se preseli iz laboratorija i postane deo svetske opskrbe energijom.