Poznata je jedna anegdota: nuklearna fuzija bit će za dvadeset godina. Uvijek će biti za dvadeset godina. Ova šala, sada više ne smiješna, izrasla je iz optimizma znanstvenika koji su 1950-ih (i u svakom narednom desetljeću) vjerovali da je nuklearna fuzija udaljena tek 20 godina. Sada je ovu anegdotu ozbiljno uzeo startup s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology), vrlo cijenjene i poznate institucije: Commonwealth Fusion Technologies. Startup obećava da će za 15 godina lansirati radni reaktor nuklearne fuzije. Obećava jeftinu, čistu i neograničenu energiju koja će riješiti sve krize fosilnih goriva i klimatskih promjena. Tako kažu: "potencijalno neiscrpni i bez ugljika izvor energije."
Jedini problem: to smo čuli već mnogo puta. Što je ovaj put drugačije?
Još jedan poznati kliše odnosi se na energiju fuzije. Ideja je jednostavna: sunce stavite u bocu. Ostalo je samo izgraditi bocu. Energija fuzije napaja zvijezde, ali za to su potrebni nevjerojatno vrući i gusti uvjeti da bi plazma mogla raditi.
Ogromna količina energije može se osloboditi kada se dvije lagane jezgre spajaju zajedno: deuterija-tritij-fuzija, koja se provodi u sklopu eksperimenta ITER, emitira 17,6 MeV po reakciji, što je milijun puta više energije po molekuli nego što dobijete eksplozijom TNT-a. No, da biste se oslobodili te energije, morate svladati snažno elektrostatičko odbijanje između jezgara, koje su obje pozitivno nabijene. Jaka interakcija na kratkim udaljenostima dovodi do fuzije koja oslobađa svu tu energiju, ali jezgre se moraju dovesti vrlo blizu - na femtometrima. U zvijezdama se to događa samo zbog kolosalnog gravitacijskog pritiska na materijal, ali na Zemlji je to teže.
Prvo morate pokušati pronaći materijale koji će preživjeti nakon izlaganja temperaturama stotinama milijuna Celzijevih stupnjeva.
Plazma se sastoji od nabijenih čestica; materija i elektroni se isperu. Na mjestu se može držati magnetskim poljem koje plazmu presavija u krug. Manipulacije s magnetskim poljem također omogućuju komprimiranje ove plazme. 1950-ih i 1960-ih pojavila se čitava generacija uređaja s egzotičnim imenima: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, dizajnirani za to. Ali plazma koju su pokušavali zadržati bila je nestabilna. Plazma sama stvara elektromagnetska polja, može se opisati vrlo složenom teorijom magnetohidrodinamike. Blaga odstupanja ili oštećenja na površini plazme brzo su izmakla kontroli. Ukratko, uređaji nisu radili kako su planirali.
Sovjetski Savez razvio je tokamak uređaj koji je ponudio znatno poboljšane performanse. Istodobno je izumljen laser koji je omogućio novu vrstu sinteze - sintezu s inercijalnim zatvaranjem.
U ovom slučaju više nije potrebno držati izgaranje plazme u magnetskim poljima, već je potrebno u kratkom vremenu komprimirati je eksplozijom pomoću lasera. Ali eksperimenti s inercijalnim zatvorom također su patili od nestabilnosti. Trče od 1970-ih i možda će jednog dana doći svojim putem, ali najveći dosad, Nacionalni laboratorij za paljenje u Livermoreu, Kalifornija, nikada nije dostigao točku u kojoj bi se dobilo više energije nego što se potroši.
Promotivni video:
Mnogo nade je ITER-u, najvećem svjetskom fuzijskom tokaku s magnetskim zatvaračem, koji je još u fazi izrade.
Programeri projekta nadaju se da će zapaliti plazmu u roku od 20 minuta za generiranje snage 500 MW s nominalnim ulazom od 50 MW. Eksperimenti s potpunim fuzijama planirani su za 2035., ali problemi s međunarodnom suradnjom između SAD-a, SSSR-a (tada još uvijek), Japana i Europe doveli su do dugih kašnjenja i smanjenja proračuna. Projekt kasni 12 godina i košta 13 milijardi dolara. To nije neuobičajeno za projekte koji zahtijevaju izgradnju ogromnih instalacija.
Prema planu ITER, prvi termonuklearni fuzijski reaktor koji će raditi kao elektrana, zapaljiv i podržavajući fuziju, DEMO, trebao bi započeti s radom 2040. ili čak 2050. godine. Drugim riječima, nuklearna fuzija … bit će za dvadeset godina. Postoji tendencija rješavanja problema s nestabilnošću izgradnjom sve više i više objekata. ITER će biti veći od JET, a DEMO će biti veći od ITER.
Tijekom godina, mnogi timovi su izazvali međunarodnu suradnju s manjim dizajnom. Pitanje nije brzina, već praktičnost. Ako doista treba milijarde dolara i desetine godina za izgradnju fuzijskog reaktora, hoće li to uopće biti vrijedno? Tko će platiti gradnju? Možda do trenutka izrade radnog tokamaka, kombinacija solarnih panela i novih baterija pružit će nam energiju koja će biti jeftinija od one proizvedene na tokamaku. Neki su se projekti - čak i zloglasna „hladna fuzija“- pokazali lažnim ili ne djeluju.
Drugi zaslužuju veću pažnju. Pokretanje novih dizajna fuzijskog reaktora - ili, u nekim slučajevima, revidirane verzije starijih pokušaja.
Tri Alpha očekuje da se sudaraju oblaci plazme u strukturi koja podsjeća na Veliki hadronski sudarač, a zatim će držati fuzionu plazmu u magnetskom polju dovoljno dugo da se razbije i stvori snagu. Uspjeli su postići nekoliko temperatura i zatočenost u plazmi za nekoliko milisekundi, a također su prikupili više od 500 milijuna dolara rizičnog kapitala.
Lockheed Martin Skunk Works, poznat po svojim tajnim projektima, napravio je proboj 2013. godine objavivši da rade na kompaktnom, 100 MW fuzijskom reaktoru veličine mlaznog motora. Tada su izjavili da će prototip biti spreman za pet godina. Naravno, nisu otkrili detalje dizajna. Godine 2016. potvrđeno je da projekt prima financijska sredstva, ali mnogi su već izgubili vjeru i stekli su sumnju.
A na pozadini sve ove sramote, znanstvenici s MIT-a provalili su u ring. Bob Mumgaard, izvršni direktor Commonwealth Fusion Energy, rekao je: „Zalažemo se za dobivanje radne stanice na vrijeme za borbu protiv klimatskih promjena. Mislimo da će nauka, brzina i skaliranje projekta trajati petnaest godina."
Novi projekt MIT-a pridržava se dizajna tokamaka, kao što je to činio u prošlosti. Uređaj SPARC trebao bi proizvesti 100 MW energije u zatvaračima od 10 sekundi. Već je bilo moguće dobiti energiju iz impulsa, ali točka prijeloma je ono što zaista privlači znanstvenike.
Poseban umak u ovom slučaju su novi visokotemperaturni superprevodni magneti izrađeni od itrijum-barij-bakar-oksida. S obzirom da HTSM može stvoriti snažnija magnetska polja pri istoj temperaturi kao i konvencionalni magneti, moguće je komprimirati plazmu s nižom ulaznom snagom, nižim magnetskim uređajem i postići uvjete sinteze u uređaju koji je 65 puta manji od ITER-a. To je plan, svejedno. Nadaju se da će stvoriti superprevodne magnete u naredne tri godine.
Znanstvenici su optimistični: „Naša strategija je koristiti konzervativnu fiziku koja se temelji na desetljećima rada na MIT-u i drugdje“, rekao je Martin Greenwald, suradnik direktora Centra za plazma znanosti i fuzije na MIT-u. "Ako SPARC postigne očekivane performanse, moj instinkt je da se on može povećati na pravu elektranu."
Postoje mnogi drugi projekti i startapovi koji na sličan način obećavaju zaobići sve vrste tokamaka i proračune za međunarodnu suradnju. Teško je reći hoće li bilo koji od njih pronaći tajni sastojak za sintezu ili će ITER svojom težinom u znanstvenoj zajednici i podršci zemalja pobijediti. Još je teško reći kada i ako će fuzija postati najbolji izvor energije. Sinteza je teška. Ovako se pokazuje povijest.
Ilya Khel