Američki naučnici najavili su veliki napredak u trci za ponovno stvaranje nuklearne fuzije.
Fizičari su se bavili tehnologijom decenijama jer obećava potencijalni izvor gotovo neograničene čiste energije.
Istraživači su u utorak potvrdili da su prevladali veliku barijeru – proizvodeći više energije iz eksperimenta fuzije nego što je uloženo.
Međutim, stručnjaci kažu da još uvijek treba preći put prije nego što fuzija pokrene domove.
Eksperiment se odvijao u National Ignition Facility u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL) u Kaliforniji.
Nuklearna fuzija se opisuje kao “sveti gral” proizvodnje energije. To je proces koji pokreće Sunce i druge zvijezde.
Djeluje tako što uzima parove lakših atoma i spaja ih – ova “fuzija” oslobađa puno energije.
To je suprotno od nuklearne fisije, gdje se teški atomi razdvajaju. Fisija je tehnologija koja se trenutno koristi u nuklearnim elektranama, ali proces također proizvodi mnogo otpada koji nastavlja ispuštati zračenje dugo vremena. Može biti opasno i mora se bezbedno skladištiti.
Nuklearna fuzija proizvodi daleko više energije i samo male količine kratkotrajnog radioaktivnog otpada. I što je važno, proces ne proizvodi emisije stakleničkih plinova i stoga ne doprinosi klimatskim promjenama.
Ali jedan od izazova je da forsiranje i održavanje elemenata zajedno u fuziji zahtijeva vrlo velike količine temperature i pritiska. Do sada, nijedan eksperiment nije uspio proizvesti više energije od količine uložene da bi funkcionirao.
Količina energije koju su generirali u ovom eksperimentu je mala – taman dovoljna da prokuha nekoliko kotlića. Ali ono što predstavlja je ogromno.
Obećanje budućnosti zasnovane na fuziji je korak bliže. Ali još je dug put prije nego što ovo postane stvarnost.
Ovaj eksperiment pokazuje da nauka radi. Prije nego što naučnici uopće mogu razmišljati o tome da ga povećaju, potrebno ga je ponoviti, usavršiti, a količina energije koju generiše moraće biti značajno povećana.
Ovaj eksperiment koštao je milijarde dolara – fuzija nije jeftina. Ali obećanje izvora čiste energije sigurno će biti veliki poticaj za prevazilaženje ovih izazova.
National Ignition Facility u Kaliforniji je eksperiment od 3,5 milijardi dolara (2,85 milijardi funti).
Stavlja malu količinu vodonika u kapsulu veličine zrna bibera.
Zatim se moćni laser sa 192 zraka koristi za zagrijavanje i kompresiju vodikovog goriva.
Laser je toliko jak da može zagrijati kapsulu na 100 miliona stepeni Celzijusa – toplije od centra Sunca, i komprimirati je na više od 100 milijardi puta više od Zemljine atmosfere.
Pod ovim silama kapsula počinje da implodira sama po sebi, prisiljavajući atome vodika da se stapaju i oslobađaju energiju.
Najavljujući proboj, dr. Marvin Adams, zamjenik administratora za odbrambene programe u Nacionalnoj administraciji za nuklearnu sigurnost SAD-a, rekao je da su laseri u laboratoriji dali 2,05 megadžula (MJ) energije u cilj, što je tada proizvelo 3,15 MJ izlazne energije fuzije.
ITER (“The Way” na latinskom) jedan je od najambicioznijih energetskih projekata na svijetu danas.
U južnoj Francuskoj, 35 zemalja surađuju na izgradnji najvećeg svjetskog tokamaka, magnetskog fuzijskog uređaja koji je osmišljen kako bi dokazao izvedivost fuzije kao velikog i nefosilnog izvora energije temeljenog na istom načelu koje naše Sunce i zvijezde napaja.
Slika 1: Iter tokamak
Eksperimentalna kampanja koja će se provesti na ITER-u od ključnog je značaja za unapređenje znanosti o fuziji i pripremanju putova za fuzijske elektrane sutra.
ITER će biti prvi fuzijski uređaj za proizvodnju neto energije. ITER će biti prvi fuzijski uređaj koji će održavati fuzije dugo vremena. ITER će biti prvi spojni uređaj za testiranje integriranih tehnologija, materijala i režima fizike potrebnih za komercijalnu proizvodnju električne energije na temelju fuzije.
Tisuće inženjera i znanstvenika pridonijelo je dizajnu ITER-a, jer je ideja za međunarodni zajednički eksperiment u fuziji prvi put započela 1985. godine. ITER-ovi članovi – Kina, Europska unija, Indija, Japan, Koreja, Rusija i Sjedinjene Države – sada se bave 35-godišnjom suradnjom za izgradnju i upravljanje eksperimentalnim uređajem ITER te zajedno dovode fuziju do točke u kojoj se može projektirati demonstracija fuzije.
Što će ITER učiniti?
Količina fuzijske energije koju tokamak može proizvesti je izravan rezultat broja fuzijskih reakcija koje se odvijaju u svojoj jezgri. Znanstvenici znaju da što je brod veći, to je veći volumen plazme … i stoga veći potencijal za energiju fuzije.
Deset puta veći volumen plazme od najvećeg stroja koji danas radi, ITER Tokamak će biti jedinstveni eksperimentalni alat koji će imati dulju plasmu i bolje zatvaranje. Stroj je dizajniran posebno za:
1) Proizvodimo 500 MW fuzijsku snagu
Svjetski rekord za spajanje snaga održava europski tokamak JET. Godine 1997. JET je proizveo 16 MW fuzijske snage od ukupne ulazne snage od 24 MW (Q = 0,67). ITER je dizajniran za proizvodnju desetostrukog povratka energije (Q = 10) ili 500 MW fuzijske snage od 50 MW ulazne snage. ITER neće iskoristiti energiju koju proizvodi kao električnu energiju, ali – kao prije svega eksperimente spajanja u povijesti kako bi proizveli neto dobitak energije – to će pripremiti put za stroj koji može.
2) Pokazati integrirani rad tehnologija za fuzijsku elektranu
ITER će premostiti jaz između današnjih manjih eksperimentalnih fuzijskih uređaja i demonstracijskih fuzijskih elektrana budućnosti. Znanstvenici će moći proučavati plazme pod uvjetima sličnim onima koji se očekuju u budućoj elektrani i test tehnologijama kao što su grijanje, kontrola, dijagnostika, kriogena i daljinski održavanje.
3) Postići deuterium-tritijevu plazmu u kojoj se reakcija održava kroz unutarnje zagrijavanje
Istraživanje fuzije danas je na pragu istraživanja “plamene plazme” -one na kojem je toplina reakcije fuzije ograničena unutar plazme dovoljno učinkovita da se reakcija dugoročno održava. Znanstvenici su uvjereni da plazme u ITER-u ne samo da će proizvesti mnogo više fuzije, već će ostati stabilne dulje vrijeme.
4) Ispitivanje uzgoja tricija
Jedan od zadataka za kasnije faze rada ITER-a jest pokazati izvedivost proizvodnje tricija u vakuumskoj posudi. Svjetska opskrba tritija (koja se koristi s deuterijem za gorivo reakcije fuzije) nije dovoljna za pokrivanje potreba budućih elektrana. ITER će pružiti jedinstvenu priliku za testiranje u posudama tritium pokrivača u fuziji okoliša.
5) Pokazati sigurnosne karakteristike fuzijskog uređaja
ITER je postigao važan orijentir u povijesti fuzije, kada je 2012. godine ITER organizacija bila licencirana kao nuklearni operator u Francuskoj temeljem strogog i nepristranog pregleda svojih sigurnosnih dosjea. Jedan od primarnih ciljeva rada ITER-a je pokazati kontrolu plazme i reakcije fuzije s neznatnim posljedicama na okoliš.
Šta je fuzija?
Fuzija je izvor energije Sunca i zvijezda. U ogromnoj toplini i gravitaciji u jezgri ovih zvjezdanih tijela, jezgra vodika sudaraju se, spajaju u teže atome helija i oslobađaju ogromne količine energije u tom procesu.
Fuzijska znanost iz dvadesetog stoljeća identificirala je najučinkovitiju fuzijsku reakciju u laboratorijskoj ambijentu kao reakciju između dva izotopa vodika, deuterija (D) i tricija (T). DT fuzijska reakcija proizvodi najveću energiju pri “najnižim” temperaturama.
Treba ispuniti tri uvjeta za postizanje fuzije u laboratoriju: vrlo visoka temperatura (od 150.000.000 Celzijevih stupnjeva); dovoljnu gustoću čestica plazme (kako bi se povećala vjerojatnost pojave sudara); i dovoljno vremena zadržavanja (da zadrži plazmu, koja ima tendenciju proširenja, unutar definiranog volumena).
Na ekstremnim temperaturama, elektroni se odvajaju od jezgri i plin postaje plazma – često se spominje kao četvrto stanje materije. Fuzijska plazma osigurava okruženje u kojem se svjetlosni elementi mogu spajati i donijeti energiju.
U tokamak uređaju koriste se moćna magnetska polja za ograničavanje i kontrolu plazme.
Šta je TOKAMAK?
Energija se danas oslanja na fosilna goriva, nuklearnu fiziju ili obnovljive izvore poput vjetra ili vode. Bez obzira na izvor energije, postrojenja generiraju električnu energiju prebacivanjem mehaničke energije, kao što je rotacija turbine, u električnu energiju. U parnoj stanici na ugljen, sagorijevanje ugljena pretvara vodu u vodenu paru, a vodena energija zauzima generatore turbina za proizvodnju električne energije.
Tokamak je eksperimentalni stroj osmišljen kako bi iskoristio energiju spajanja. Unutar tokamaka, energija proizvedena fuzijom atoma apsorbira se kao toplina u zidovima posude. Baš kao i konvencionalna elektrana, fuzionirana elektrana koristi ovu toplinu za proizvodnju pare, a zatim električnu energiju putem turbina i generatora.
Srce tokamaka je njegova vakuumska komora . Unutra, pod utjecajem ekstremne topline i tlaka, plinovito vodikovo gorivo postaje plazma – vrlo okruženje u kojem se atomi vodika mogu dovesti do osiguravanja i stvaranja energije. Napunjene čestice plazme mogu se oblikovati i kontrolirati pomoću masivnih magnetskih zavojnica postavljenih oko posude; fizičari koriste ovu važnu imovinu da ograniče vruću plazmu daleko od zidova žile. Izraz “tokamak” nam dolazi iz ruskog akronima koji označava “toroidalnu komoru s magnetskim zavojima”.
Prvi put razvijen od sovjetskog istraživanja kasnih šezdesetih godina, tokamak je usvojen u svijetu kao najobrazljivija konfiguracija uređaja za magnetskde fuzije. ITER će biti najveći tokamak na svijetu – dvostruko veći od najvećeg stroja koji je trenutno u pogonu, s deset puta većim volumenom plazme.
TKO SUDJELUJE?
( Projekt ITER je suradnja između 35 država diljem svijeta.
Članice ITER-a Kina, Europska unija, Indija, Japan, Koreja, Rusija i Sjedinjene Države kombinirale su sredstva za osvajanje jedne od najvećih granica u reprodukciji znanosti na Zemlji bezgranične energije koja potiče Sunce i zvijezde.
Kao potpisnice ITER sporazuma, sklopljenog 2006. godine, sedam članica će sudjelovati u troškovima izgradnje, operacije i dekomisije. Također će dijeliti eksperimentalne rezultate i sve intelektualno vlasništvo koje generira faza operacije.
Europa je odgovorna za najveći dio troškova gradnje (45,6 posto); ostatak dijele jednako Kina, Indija, Japan, Koreja, Rusija i SAD (9,1 posto svaki). Članice daju vrlo mali novčani doprinos projektu: umjesto toga, devet desetina doprinosa bit će dostavljene ITER-u u obliku dovršenih komponenti, sustava ili zgrada.
Zajedno, članovi ITER-a predstavljaju tri kontinenta, preko 40 jezika, polovicu svjetske populacije i 85 posto globalnog bruto domaćeg proizvoda. U uredima ITER organizacije (Središnjeg tima) i onih od sedam domaćih agencija, u laboratorijima i industriji, doslovce tisuće ljudi radi na uspjehu ITER-a.
Organizacija ITER također je sklopila sporazume o tehničkoj suradnji s Australijom (putem australske organizacije za nuklearnu znanost i tehnologiju, ANSTO, 2016.) i Kazahstana (preko Kazahstanskog nacionalnog nuklearnog centra u 2017. godini), kao i preko 40 sporazuma o suradnji s međunarodnim organizacijama, nacionalnim laboratorijima, sveučilištima i školama.
Kada će eksperimenti poćeti?
ITERova prva plazma zakazana je za prosinac 2025.
To će biti prvi put kada se stroj uključi i prvi čin ITER-ovog višegodišnjeg operativnog programa.
Na čistom zemljištu od 42 hektara na jugu Francuske, gradnja je u tijeku od 2010. godine. Struktura podloge i seizmičke temelje ITER Tokamaka su u tijeku i radovi su u tijeku na Tokamakovom kompleksu – tri zgrade koji će sadržavati fuzijske eksperimente. Pomoćne biljne građevine kao što su ITER-ov kriopljani, zgrada grijanja radio frekvencije i postrojenja za rashladnu vodu, pretvorbu energije i napajanje su u izgradnji.
Čim je moguće pristupiti zgradi Tokamaka, znanstvenici i inženjeri postupno će sastaviti, integrirati i testirati ITER uređaj za fuziju. Puštanje u rad će potvrditi da svi sustavi funkcioniraju zajedno i pripremiti ITER uređaj za rad.
Uspješna integracija i montaža više od milijun komponenti (deset milijuna dijelova), izgrađena u tvornicama ITERovih članica širom svijeta i isporučena na web stranicu ITER-a, predstavlja ogroman logistički i inženjerski izazov. Skupna radna snaga, kako u ITER-u tako i u domaćim agencijama, doseći će 2.000 ljudi na vrhuncu montažnih aktivnosti. U ITER uredima širom svijeta, točan slijed zbirnih događaja pažljivo je orkestriran i koordiniran. Prve velike komponente isporučene su na ITER mjestu 2015. godine.
U studenome 2017. projekt je prošao polovicu oznake First Plasma.
ITER-ova vremenska linija
2005 Odluka o lociranju projekta u Francuskoj
2006 Potpisivanje ITER sporazuma
2007Formalno stvaranje ITER organizacije
2007-2009Land čišćenje i levelling
2010-2014Ground potporna struktura i seizmički temelji za Tokamak
2012Nuclear licenciranje prekretnica: ITER postaje temeljna nuklearna instalacija prema francuskom zakonu
2014-2021 Izgradnja zgrade Tokamak (pristup za montažne aktivnosti u 2019. godini)
2010.-2021. Izgradnja postrojenja ITER-a i pomoćnih zgrada za prvu plazmu
2008-2021Proizvodnja glavnih komponenti prve plazme
2015-2021 Najveće komponente prevezene su ITER-itinerarom
2018-2025Faza montaže I
2024-2025Integrirana faza puštanja u pogon (puštanje u pogon po sustavu započinje nekoliko godina ranije) 2025. počinje početak rada
Tijekom faze izgradnje ITER-a, Vijeće će pažljivo pratiti uspješnost ITER organizacije i domaćih agencija kroz niz naprednih projekata na visokoj razini.
