Znana je ena anekdota: jedrska fuzija bo čez dvajset let. Vedno bo čez dvajset let. Ta šala, ki zdaj ni več smešna, je izvirala iz optimizma znanstvenikov, ki so v petdesetih (in v vsakem naslednjem desetletju) verjeli, da je jedrska fuzija oddaljena le 20 let. Zdaj je to anekdoto vzel resno startup - domačin MIT (Massachusetts Institute of Technology), zelo cenjena in znana ustanova: Commonwealth Fusion Technologies. Zagon obljublja, da bo v 15 letih izstrelil delujoči jedrski fuzijski reaktor. Obljublja poceni, čisto in neomejeno energijo, ki bo reševala vse krize na fosilna goriva in podnebne spremembe. Tako pravijo: "potencialno neizčrpen in brez ogljika vir energije."
Edini problem: to smo že slišali že večkrat. Kaj je tokrat drugače?
Še en znan kliše se nanaša na energijo fuzije. Ideja je preprosta: sonce si dal v steklenico. Vse, kar ostane, je zgraditi steklenico. Fuzijska energija napaja zvezde, vendar potrebuje neverjetno vroče in goste pogoje, da plazma deluje.
Ogromna količina energije se lahko sprosti, ko se dve svetlobni jedri zlijeta skupaj: devterij-tritij-fuzija, ki se izvaja kot del eksperimenta ITER, odda 17,6 MeV na reakcijo, kar je milijonkrat več energije na molekulo, kot jo dobite pri eksploziji TNT-ja. Toda, da sprostite to energijo, morate premagati močno elektrostatično odbojnost med jedri, ki sta oba pozitivno nabiti. Močna interakcija na kratkih razdaljah povzroči zlitje, ki sprosti vso to energijo, vendar je treba jedra približati - na femtometrih. Pri zvezdah se to zgodi samo zaradi kolosalnega gravitacijskega pritiska na material, na Zemlji pa je to težje.
Najprej morate poskusiti najti materiale, ki bodo preživeli po izpostavitvi temperaturam sto milijonov stopinj Celzija.
Plazmo sestavljajo nabiti delci; snov in elektroni se izperejo. Na mestu ga lahko zadrži magnetno polje, ki plazmo zloži v krog. Manipulacije z magnetnim poljem omogočajo tudi stiskanje te plazme. V petdesetih in šestdesetih letih se je pojavila cela generacija naprav z eksotičnimi imeni: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, zasnovana za to. Toda plazma, ki so jo poskušali zadržati, je bila nestabilna. Plazma sama ustvarja elektromagnetna polja, opisuje jo lahko zelo zapletena teorija magnetohidrodinamike. Rahla odstopanja ali napake na plazemski površini so hitro ušli izpod nadzora. Skratka, naprave niso delovale po načrtih.
Sovjetska zveza je razvila napravo tokamak, ki je nudila izjemno izboljšane zmogljivosti. Hkrati je bil izumljen laser, ki omogoča novo vrsto sinteze - sintezo z inercialno zaprtostjo.
V tem primeru plazme v magnetnih poljih ni več treba zadrževati, potrebno ga je v kratkem času stisniti z eksplozijo z uporabo laserjev. Toda poskusi z inercialno zaprtostjo so trpeli tudi zaradi nestabilnosti. Potekajo od sedemdesetih let prejšnjega stoletja in morda bodo nekega dne ušli svojo pot, toda največji doslej - Nacionalni laboratorij za vžig v Livermoreu v Kaliforniji - še nikoli ni dosegel točke preloma, kjer bi proizvedli več energije kot porabili.
Promocijski video:
Veliko upanja je z ITER, največjim fuzijskim tokakom z magnetno zaporo na svetu, ki je še v izdelavi.
Razvijalci projekta upajo, da bodo v 20 minutah vžgali plazmo in ustvarili 500 MW moči z nazivno vhodno močjo 50 MW. Popolni poskusi fuzije so načrtovani za leto 2035, vendar so težave z mednarodnim sodelovanjem med ZDA, ZSSR (takrat še vedno), Japonsko in Evropo privedle do dolgih zamud in razbremenitve proračuna. Projekt zamuja 12 let in stane 13 milijard dolarjev. To ni redkost pri projektih, za katere je treba zgraditi ogromno naprav.
Po načrtu ITER naj bi prvi termonuklearni fuzijski reaktor, ki bo deloval kot elektrarna, vžigalnik in podpiranje fuzije, DEMO, začel obratovati leta 2040 ali celo 2050. Z drugimi besedami, jedrska fuzija … bo čez dvajset let. Težave z nestabilnostmi rešujemo tako, da gradimo vedno več objektov. ITER bo večji od JET, DEMO pa večji od ITER.
Z leti so številne ekipe izzvale mednarodno sodelovanje z manjšimi dizajni. Vprašanje ni hitrost, ampak praktičnost. Če bo resnično potrebnih več milijard dolarjev in desetine let za izgradnjo fuzijskega reaktorja, se bo to sploh splačalo? Kdo bo plačal gradnjo? Morda nam bo kombinacija sončnih panelov in novih baterij, ko bomo zgradili delujoči tokamak, zagotovila energijo, ki bo cenejša od tiste, ki jo izdelujejo tokamak. Nekateri projekti - tudi zloglasna "hladna fuzija" - so se izkazali za lažne ali pa ne delujejo.
Drugi si zaslužijo več pozornosti. Startupi z novimi zasnovami fuzijskih reaktorjev - ali v nekaterih primerih revidirane različice starejših poskusov.
Tri Alpha pričakuje, da bodo oblake plazme trčili v strukturo, ki spominja na veliki hadronski trkalnik, nato pa bi fuzijsko plazmo zadrževali v magnetnem polju, dovolj dolgo, da se prebijejo in ustvarijo moč. V nekaj milisekundah jim je uspelo doseči potrebne temperature in plazemsko omejitev, poleg tega pa so zbrali več kot 500 milijonov dolarjev tveganega kapitala.
Lockheed Martin Skunk Works, znan po svojih tajnih projektih, se je leta 2013 spopadel z objavo, da delajo na kompaktnem 100 MW fuzijskem reaktorju velikosti reaktivnega motorja. Takrat so izjavili, da bo prototip pripravljen čez pet let. Seveda niso razkrili podrobnosti oblikovanja. Leta 2016 je bilo potrjeno, da projekt prejema sredstva, vendar so mnogi že izgubili vero in dobili skepticizem.
In ob ozadju vsega tega sramota so znanstveniki MIT vdrli v obroč. Bob Mumgaard, izvršni direktor podjetja Commonwealth Fusion Energy, je dejal: „Zavezani smo, da bomo pravočasno pridobili delovno postajo za boj proti podnebnim spremembam. Mislimo, da bo znanost, hitrost in velikost projekta trajala petnajst let."
Novi projekt MIT se drži zasnove tokamaka, kot je to storil v preteklosti. Naprava SPARC naj bi proizvedla 100 MW energije v 10-sekundnih zaprtih impulzih. Že prej je bilo mogoče pridobiti energijo iz impulzov, vendar je točka preloma tisto, kar znanstvenike resnično privlači.
Posebna omaka v tem primeru so novi visokotemperaturni superprevodni magneti iz itrijevega-barijevega-bakrovega oksida. Glede na to, da lahko HTSM ustvari močnejša magnetna polja pri isti temperaturi kot običajni magneti, je mogoče stisniti plazmo z nižjo vhodno močjo, nižjo magnetno napravo in doseči pogoje sinteze v napravi, ki je 65-krat manjša od ITER. Takšen načrt je, vseeno. Upajo, da bodo v naslednjih treh letih ustvarili superprevodne magnete.
Znanstveniki so optimistični: "Naša strategija je, da uporabimo konzervativno fiziko, ki temelji na desetletjih dela na MIT in drugje," je dejal Martin Greenwald, pridruženi direktor Centra za plazemsko znanost in fuzijo na MIT. "Če SPARC doseže pričakovano zmogljivost, moj instinkt narekuje, da ga je mogoče povečati do prave elektrarne."
Obstaja še veliko drugih projektov in zagonov, ki podobno obljubljajo, da bodo zaobšli vse vrste tokamakov in mednarodnih proračunov za sodelovanje. Težko je reči, ali bo kdo od njih našel skrivno sestavino za sintezo ali pa bo zmagal ITER s svojo težo v znanstveni skupnosti in podpori držav. Še vedno je težko reči, kdaj in če bo fuzija postala najboljši vir energije. Sinteza je težavna. Tako kaže zgodovina.
Ilya Khel