Rekordni dosežek na področju pridobivanja energije iz fuzije
Danes največji fuzijski reaktor JET (Joint European Torus) deluje v Culhamu v Veliki Britaniji. Decembra 2021 je raziskovalcem na JET uspelo sprostiti največ fuzijske energije na pulz do zdaj, in sicer 59 MJ toplotne energije med pulzom, ki je trajal 5 sekund. S tem so skoraj potrojili predhodni rekord, ki je znašal 22 MJ. Ob tem dosežku je Tony Donne, vodja programa EUROfusion, dejal: »Ta dosežek je rezultat dolgoletnih priprav raziskovalcev po vsej Evropi. Vse, kar smo se pri tem naučili o fuziji, in dejstvo, da dosežek v celoti potrjuje naše teoretične napovedi, kaže, da smo na pravi poti v prihodnost izkoriščanja fuzijske energije.« Dodal je še: »Če lahko vzdržujemo fuzijo pet sekund, jo lahko tudi pet minut in nato pet ur.«
Slovenski prispevek
Neposredno pri raziskavah, povezanih z reaktorjem JET, sodeluje okoli 10 slovenskih raziskovalcev. Več se nas je za nekaj časa tudi preselilo v Oxfordshire, da smo lahko intenzivno sodelovali pri pripravi zadnjega rekordnega dosežka. Trenutno pa sta na JET zaposlena dva slovenska raziskovalca. Pri tem sodelujemo na različnih področjih, kot so meritve in priprava eksperimentov, predvsem pa pri računski podpori eksperimentom. Konkretno smo opravili preračune detektorskih sistemov, kar je ključno prispevalo k njihovi natančni kalibraciji, tako da je bilo možno dovolj natančno določiti, koliko energije se je sprostilo med zadnjim rekordnim pulzom.
Fuzijski reaktor JET
JET je fuzijski reaktor tipa tokamak, ki so jih začeli razvijati v 50. letih prejšnjega stoletja in danes veljajo za najperspektivnejši tip reaktorja za pridobivanje energije s pomočjo nadzorovane termonuklearne fuzije. Kot gorivo se lahko uporabljajo izotopi vodika; devterij (težki vodik), ali mešanica devterija in tritija. S slednjo daleč najlažje dosežemo potrebne pogoje za fuzijsko reakcijo, a je za obratovanje zahtevnejša zaradi radioaktivnosti tritija. V fuzijskem reaktorju moramo doseči predvsem dva pogoja, zelo visoko temperaturo (energijo) goriva, ki znaša okoli 100 milijonov stopinj, in visoko gostoto goriva. Oboje dosegamo s pomočjo močnega magnetnega polja, mikrovalovnega segrevanja plazme in pospeševalnikov delcev.
Tokamak je naprava, ki uporablja močno magnetno polje za omejevanje plazme v obliki torusa. Fuzijsko gorivo, ki je v stanju plazme, je med obratovanjem stisnjeno proti sredini torusa in torej v obliki obroča. Pri reaktorju JET je polmer plazme 3 metre, vakuumska posoda v obliki toroida pa ima skupni premer okoli 10 m in višino 5 m, celotna naprava je še precej večja. Skupna prostornina, ki jo lahko zaseda plazma, je 80 kubičnih metrov. Pomembni sestavni deli tokamaka so elektromagneti, ki obkrožajo vakuumsko posodo. Skupen tok po njih je 51 MA, ki v času trajanja fuzijskega pulza teče več deset sekund, zaradi česar so vodno hlajeni.
Glavni vir segrevanja plazme v JET zagotavljata dva sistema, injiciranje dela goriva pri visoki energiji v plazmo s pomočjo pospeševalnika in ionsko ciklotronsko resonančno gretje. Celotne potrebe po energiji vseh sistemov JET med pulzom znašajo okoli 500 MW v moči, največja trenutna potrebna moč lahko presega 1000 MW.
Rekordni dosežek na reaktorju JET
Predhodni rekord v energiji, sproščeni v enem pulzu, je bil tudi dosežen na tokamaku JET leta 1997 pri približno enaki dolžini pulza, a manjši moči. Podlaga za sedanji rekord je bila obsežna prenova sten tokamaka med letoma 2010 in 2011. Takrat je bila karbonska stena tokamaka, ki meji na fuzijsko plazmo, zamenjana s kovinsko steno iz berilija in volframa, ki omogoča 10-krat manjše zadrževanje goriva. Doseganje rekordno visokih energijskih pulzov pa je bilo možno s poznejšo nadgradnjo zmogljivejših sistemov gretja ter z naprednimi scenariji segrevanja in obvladovanja plazme.
Tokamaki vedno delujejo v ponavljajočih se pulzih. Zato je bila nadgradnja zelo pomembna, saj je zagotovila nekajkratno povečanje energije, sproščene v enem pulzu, to je na 59 MJ. Zgolj petsekundna dolžina pulza je predvsem posledica omejitve bakrenih elektromagnetov, sicer bi lahko stabilno fuzijsko plazmo v reaktorju vzdrževali tudi dlje.
Razmerje med sproščeno fuzijsko močjo in močjo gretja plazme označimo kot faktor Q. Leta 1997 je bila najvišja moč 16 MW, ki pa je bila dosežena v kratkem pulzu (0,15 sekunde), v istem pulzu je bil Q = 0,67.
Oboje letos ni bilo preseženo, maksimalni Q med rekordnim pulzom je bil 0,32, razlog je v tem, da je bil poudarek na dolgotrajnem stabilnem obratovanju na visoki moči, kar lahko najbolj koristi pri načrtovanju obratovanja prihodnjih fuzijskih naprav. To velja predvsem za fuzijski reaktor ITER, največji fuzijski reaktor do zdaj, ki ga gradijo na jugu Francije.
Bodoči fuzijski reaktorji
ITER je ogromen mednarodni projekt in z naskokom največji fuzijski reaktor, volumen plazme pri tem tokamaku bo kar 830 kubičnih metrov, kar je 10-krat več kot pri JET. Pri tem je pomembno, da so komponente reaktorja JET narejene iz enakih materialov, kot bodo v reaktorju ITER. Uspeh trenutnih eksperimentov je torej odlična popotnica za eksperimente v reaktorju ITER. Njegov najpomembnejši cilj je, da bi prvikrat dosegli Q večji kot 10 in s tem dokazali znanstveno in tehnološko izvedljivost pridobivanja fuzijske energije. ITER naj bi iz 50 MW vložene moči ustvaril 500 MW fuzijske moči. Načrtovana dolžina pulza v reaktorju ITER je precej daljša in bo znašala nekaj minut, predvsem zaradi večje dimenzije tokamaka in superprevodnih magnetov, s katerimi bo opremljen ITER.
Dokončanje reaktorja in prva plazma sta načrtovana za leto 2025, nato bo sledilo nekaj let raziskav z devterijevo plazmo in posledično manjšo fuzijsko močjo. Po nadaljnji nadgradnji naprave pa je za leto 2035 predvideno obratovanje z mešanico devterija in tritija, ko bo ITER dosegel pričakovano fuzijsko/toplotno moč 500 MW. ITER bo eksperimentalni reaktor, ki bo služil kot testni korak do njegovega naslednika reaktorja EU DEMO s podobno zasnovo, ki pa bo že proizvedel prvo električno energijo. Fuzijska elektrarna bo toploto, ki bo nastala v tokamaku kot posledica zlivanja vodikovih jeder, podobno kot jedrske ali termoelektrarne, uporabila za proizvodnjo pare in nato prek turbin in generatorjev tudi za proizvodnjo električne energije. Reaktor EU DEMO je načrtovan po letu 2050.
Fuzijska reakcija
Podobno kot pri fisiji je za fuzijo potrebno zelo malo goriva. Pri fuziji enega atoma devterija in enega atoma tritija se sprosti 17,6 MeV energije, kar pomeni, da konverzija iz mase v energijo znaša približno 3 promile prvotne mase. Za primer, pri fisiji enega atoma urana se sprosti približno 200 MeV, kar pomeni konverzijo približno enega promila prvotne mase v energijo (fuzija: 17.6 MeV / 5 amu – atomic mass unit, fisija: 200 MeV / 235 amu). To je razlog, da za obratovanje fuzijskih reaktorjev potrebujemo zelo majhne količine goriva. Devterij, ki je potreben za reakcijo, lahko v velikih količinah in po nizki ceni pridobimo iz vode, saj ta vsebuje nekaj desetin promila devterija. Tritij danes pridobivamo v težkovodnih reaktorjih, velik dobavitelj so kanadske jedrske elektrarne tipa CANDU, v prihodnosti pa bomo tritij pridobivali neposredno v fuzijskem reaktorju iz litija ob jedrski reakciji z nevtroni.
Energija prihodnosti
Pridobivanje elektrike iz fuzije ima veliko prednosti, surovine za gorivo (devterij in tritij) so kar voda in litij, ki ju je v naravi za potrebe fuzije praktično v neomejenih količinah, razpršena sta po vsej zemeljski obli in relativno poceni. Fuzija je tudi varna; čeprav gre za jedrsko reakcijo, ni nevarnosti za resno nezgodo, v reaktorju je namreč hkrati največ nekaj desetin grama D in T, ki ga v reaktor dovajamo kontinuirano. Izpustov toplogrednih plinov kot posledica fuzije ni, posredni izpusti so majhni.
Slaba lastnost pa je izjemna zahtevnost zagotavljanja pogojev za fuzijo, to je temperature v središču tokamaka, ki za okoli 10-krat presega tisto v središču Sonca in visoke gostote fuzijskega goriva. Tudi materiale, ki bodo vzdržali obsevanje z nevtroni pri toplotnih močeh fuzijskega reaktorja 2 GW, bo treba še razviti. Zato lahko pričakujemo, da bodo prve komercialne fuzijske elektrarne na voljo po letu 2050.
