Videz termonuklearnega reaktorja je bil pričakovan že več kot pol stoletja. Pričakovanja so tako pregreta, da se je pojavila zelo priljubljena teorija zarote, kot da je bila v resnici izumljena že zdavnaj, a naftni magnati izum skrivajo pred množicami, da ne bi izgubili superprofitov. Kot vsaka teorija zarote tudi taka teorija ne zdrži kritike in ostaja tema detektivske proze. Vendar razumevanje tega ne zanika glavnega vprašanja: kdaj bomo obvladali termonuklearno energijo?
SONČNI BOSTER
Termonuklearno reakcijo (ali reakcijo jedrske fuzije), pri kateri se lažja jedra stopijo v težja, so fiziki opisali že v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. In prvič ga je opazil angleški znanstvenik Ernst Rutherford. Leta 1919 je helij z dušikom potiskal z veliko hitrostjo, da je ustvaril vodik in težki kisik. Pet let kasneje je Rutherford uspešno zaključil sintezo supertežkega vodikovega tricija iz težkih vodikovih jeder devterija. Približno v istem času je astrofizik Arthur Eddington postavil drzno hipotezo, da zvezde gorijo zaradi poteka termonuklearnih reakcij v črevesju. Leta 1937 je ameriški znanstvenik Hans Bethe lahko dokazal pojav termonuklearnih reakcij na Soncu - zato je imel Eddington prav.
Zamisel o reprodukciji "sončnega ognja" na Zemlji je pripadla japonskemu fiziku Tokutaru Hagiwari, ki je leta 1941 predlagal možnost sprožitve termonuklearne reakcije med jedri vodika z uporabo eksplozivne verižne reakcije cepitve urana - to pomeni, da bi morala atomska eksplozija ustvariti pogoje (ultra-visoka temperatura in tlak) za začetek termonuklearne fuzije. Malo kasneje je na isto idejo prišel tudi Enrico Fermi, ki je sodeloval pri ustvarjanju ameriške atomske bombe. Leta 1946 so v laboratoriju v Los Alamosu pod vodstvom Edwarda Tellerja začeli raziskovalni projekt o uporabi termonuklearne energije.
Prvo termonuklearno napravo je ameriška vojska eksplodirala 1. novembra 1952 na atolu Enewetok v Tihem oceanu. Podoben poskus smo izvedli leta 1953. Tako človeštvo termonuklearno fuzijo uporablja že več kot šestdeset let, vendar le v uničujoče namene. Zakaj ga ne morete uporabiti bolj racionalno?
MOJSTRI ZA PLAZMO
Promocijski video:
Z energetskega vidika je optimalna temperatura plazme v termonuklearni reakciji 100 milijonov stopinj. To je nekajkrat višja od temperature v notranjosti Sonca. Kako biti?
Fiziki so predlagali zadrževanje plazme v "magnetni pasti". V zgodnjih petdesetih letih sta Andrej Saharov in Igor Tamm izračunala konfiguracijo magnetnih polj, ki lahko stisnejo plazmo v tanek filament in preprečijo, da bi padla na stene komore. Na podlagi sheme, ki so jo predlagali, so bili ustvarjeni številni tokamaki.
Menijo, da je izraz "TOKAMAK" nastal kot okrajšava za besedno zvezo "TOroid CAMERA z magnetnimi tuljavami". Glavni oblikovalski element so res tuljave, ki ustvarjajo močno magnetno polje. Delovna komora tokamaka je napolnjena s plinom. Kot posledica razpada pod delovanjem vrtinčnega polja pride do povečane ionizacije plina v komori, ki ga spremeni v plazmo. Nastane plazemska nitka, ki se premika vzdolž toroidne komore in se ogreva z vzdolžnim električnim tokom. Magnetna polja ohranjajo vrvico v ravnovesju in ji dajejo obliko, ki preprečuje, da bi se dotaknil sten in jih zažgal.
Do danes je temperatura plazme v tokamakih dosegla 520 milijonov stopinj. Vendar je ogrevanje čisto začetek poti. Tokamak ni elektrarna - nasprotno, porablja energijo, ne da bi dal kaj v zameno. Termonuklearno elektrarno bi morali graditi na drugačnih principih.
Najprej so se fiziki odločili za gorivo. Za reaktor moči je skoraj idealna reakcija, ki temelji na fuziji jeder izotopov vodika - devterija in tricija (D + T), zaradi česar nastaneta jedro helija-4 in nevtron. Navadna voda bo služila kot vir devterija, tritij pa bo pridobljen iz litija, obsevanega z nevtroni.
Nato je treba plazmo segreti na 100 milijonov stopinj in jo močno stisniti, pri tem pa dolgo ostati v tem stanju. Z vidika inženirskega načrtovanja je to neverjetno zapletena in draga naloga. Zapletenost in visoki stroški že dolgo zadržujejo razvoj te smeri energije. Podjetje ni bilo pripravljeno financirati tako velikega projekta, dokler ni bilo zaupanja v njegov uspeh.
CESTA V PRIHODNOST
Sovjetska zveza, kjer so bili zgrajeni unikatni tokamaki, je prenehala obstajati, vendar ideja o obvladovanju termonuklearne energije ni zamrla in vodilne države so spoznale, da je problem mogoče rešiti le skupaj.
Zdaj se danes v vasi Cadarache na jugovzhodu Francije blizu mesta Aix-en-Provence gradi prvi eksperimentalni termonuklearni reaktor za energetiko. Pri izvajanju tega velikega projekta sodelujejo Rusija, ZDA, Evropska unija, Japonska, Kitajska, Južna Koreja, Indija in Kazahstan.
Strogo gledano objekt, ki ga bodo zgradili v Cadaracheju, še vedno ne bo mogel delovati kot termonuklearna elektrarna, vendar bo morda približal svoj čas. Ni naključje, da so ga poimenovali ITER - ta okrajšava pomeni International Thermonuclear Experimental Reactor, ima pa tudi simbolni pomen: v latinščini je iter cesta, pot. Tako naj bi reaktor Cadarash utrl pot termonuklearni moči prihodnosti, ki bo zagotovila preživetje človeštva po izčrpanju fosilnih goriv.
ITER bo strukturiran na naslednji način. V njegovem osrednjem delu je toroidna komora s prostornino približno 2000 m3, napolnjena s plazmo tritij-devterij, segreto na temperature nad 100 milijonov stopinj. Nevtroni, ki nastanejo med fuzijsko reakcijo, zapustijo "magnetno steklenico" in skozi "prvo steno" vstopijo v odejo prosti prostor debel približno meter. Znotraj odeje nevtroni trčijo z litijevimi atomi, kar povzroči reakcijo s tvorbo tritija, ki se bo proizvedel ne samo za ITER, temveč tudi za druge reaktorje, če bodo zgrajeni. V tem primeru se "prva stena" z nevtroni segreje na 400 ºC. Sproščeno toploto, tako kot pri običajnih postajah, primarni hladilni krog prevzame s hladilno tekočino (ki vsebuje na primer vodo ali helij) in jo prenese v sekundarni krog, kjer nastaja vodna para,gre za turbine, ki proizvajajo električno energijo.
Namestitev ITER je resnično mega-stroj. Njegova teža je 19.000 ton, notranji polmer toroidne komore je 2 metra, zunanji pa več kot 6 metrov. Gradnja je že v polnem razmahu, vendar nihče ne more z gotovostjo trditi, kdaj bo na instalaciji prejet prvi pozitivni izhod energije. Vendar ITER načrtuje proizvodnjo 200.000 kWh, kar ustreza energiji, ki jo vsebuje 70 ton premoga. Potrebna količina litija je v eni mini bateriji za računalnik, količina devterija pa je v 45 litrih vode. In to bo popolnoma čista energija.
V tem primeru bi moralo biti devterija dovolj za milijone let, zaloge zlahka izvlečenega litija pa zadostujejo za zadovoljevanje potrebe po njem že sto let. Tudi če zaloge litija v kamninah zmanjkajo, ga bodo fiziki lahko črpali iz morske vode.
ITER bo vsekakor zgrajen. In seveda sem vesel, da naša država sodeluje pri tem projektu prihodnosti. Samo ruski strokovnjaki imajo dolgoletne izkušnje pri ustvarjanju velikih superprevodnih magnetov, brez katerih plazme ni mogoče zadržati v filamentu: zahvaljujoč tokamakom!
Anton Pervušin