Pojava termonuklearnog reaktora očekuje se više od pola stoljeća. Očekivanja su toliko pregrijana da je nastala vrlo popularna teorija zavjere, kao da je zapravo davno izumljena, ali naftni magnati izum skrivaju od masa kako ne bi izgubili superprofitabilnost. Kao i svaka teorija zavjere, takva se teorija ne podnosi kritikama i ostaje tema detektivske proze. Međutim, razumijevanje ovoga ne poništava glavno pitanje: kada ćemo ovladati termonuklearnom energijom?
SUNČANI BOSTER
Termonuklearnu reakciju (ili reakciju nuklearne fuzije), u kojoj se lakše jezgre stapaju u teže, fizičari su opisali još 1910-ih. I prvi put to je primijetio engleski znanstvenik Ernst Rutherford. 1919. gurnuo je helij dušikom velikom brzinom da bi proizveo vodik i teški kisik. Pet godina kasnije, Rutherford je uspješno završio sintezu superteškog vodikovog tricija iz teških vodikovih jezgri deuterija. Otprilike u isto vrijeme astrofizičar Arthur Eddington iznio je hrabru hipotezu da zvijezde izgaraju uslijed tijeka termonuklearnih reakcija u njihovim dubinama. Američki je znanstvenik Hans Bethe 1937. godine uspio dokazati pojavu termonuklearnih reakcija na Suncu - dakle, Eddington je bio u pravu.
Ideja o ponovnom stvaranju "solarne vatre" na Zemlji pripadala je japanskom fizičaru Tokutaro Hagiwara, koji je 1941. godine sugerirao mogućnost pokretanja termonuklearne reakcije između jezgri vodika pomoću eksplozivne lančane reakcije fisije urana - to jest, atomska eksplozija trebala bi stvoriti uvjete (ultra-visoka temperatura i tlak) za pokretanje termonuklearne fuzije. Nešto kasnije, Enrico Fermi, koji je sudjelovao u stvaranju američke atomske bombe, došao je na istu ideju. 1946. godine pod vodstvom Edwarda Tellera pokrenut je istraživački projekt o korištenju termonuklearne energije u laboratoriju u Los Alamosu.
Prvi termonuklearni uređaj američka je vojska aktivirala 1. studenog 1952. godine na Atolu Enewetok u Tihom oceanu. Sličan pokus proveli smo 1953. godine. Dakle, čovječanstvo koristi termonuklearnu fuziju više od šezdeset godina, ali samo u destruktivne svrhe. Zašto ga ne možete koristiti racionalnije?
MAJSTORI PLAZME
Promotivni video:
S gledišta energije, optimalna temperatura plazme u termonuklearnoj reakciji je 100 milijuna stupnjeva. To je nekoliko puta više od temperature u unutrašnjosti Sunca. Kako biti?
Fizičari su predložili zadržavanje plazme u "magnetskoj zamci". Početkom 1950-ih, Andrej Saharov i Igor Tamm izračunali su konfiguraciju magnetskih polja sposobnih za sabijanje plazme u tanku nit i sprječavanje njezinog pada na zidove komore. Na temelju sheme koju su predložili stvoreni su brojni tokamaci.
Smatra se da je izraz "TOKAMAK" nastao kao kratica za frazu "TOroid KAMERA s magnetskim zavojnicama". Glavni element dizajna doista su zavojnice koje stvaraju snažno magnetsko polje. Radna komora tokamaka napunjena je plinom. Kao rezultat proboja pod djelovanjem vrtložnog polja dolazi do pojačane ionizacije plina u komori koja ga pretvara u plazmu. Nastaje plazma filament koji se kreće duž toroidalne komore i zagrijava se uzdužnom električnom strujom. Magnetska polja održavaju kabel u ravnoteži i daju mu oblik koji sprječava dodirivanje zidova i njihovo izgaranje.
Do danas je temperatura plazme na tokamacima dosegla 520 milijuna stupnjeva. Međutim, zagrijavanje je sam početak putovanja. Tokamak nije elektrana - naprotiv, troši energiju ne dajući ništa zauzvrat. Termonuklearna elektrana trebala bi se graditi na različitim principima.
Prije svega, fizičari su se odlučili za gorivo. Gotovo idealna za energetski reaktor je reakcija koja se temelji na fuziji jezgri izotopa vodika - deuterija i tricija (D + T), uslijed čega nastaju jezgra helija-4 i neutron. Obična voda služit će kao izvor deuterija, a tritij će se dobiti iz litija ozračenog neutronima.
Tada se plazma mora zagrijati na 100 milijuna stupnjeva i snažno komprimirati, zadržavajući u tom stanju dugo vremena. Sa stajališta inženjerskog dizajna, ovo je nevjerojatno složen i skup zadatak. Složenost i visoki troškovi dugo su kočili razvoj ovog smjera energije. Tvrtka nije bila spremna financirati tako velik projekt dok nije bilo povjerenja u njegov uspjeh.
PUT DO BUDUĆNOSTI
Sovjetski Savez, gdje su izgrađeni jedinstveni tokamaci, prestao je postojati, ali ideja o ovladavanju termonuklearnom energijom nije umrla, a vodeće su zemlje shvatile da se problem može riješiti samo zajedno.
I sada se prvi eksperimentalni termonuklearni reaktor za energetiku gradi danas u selu Cadarache, na jugoistoku Francuske, u blizini grada Aix-en-Provence. U provedbi ovog velikog projekta sudjeluju Rusija, SAD, Europska unija, Japan, Kina, Južna Koreja, Indija i Kazahstan.
Strogo govoreći, objekt koji će se graditi u Cadaracheu i dalje neće moći raditi kao termonuklearna elektrana, ali može približiti svoje vrijeme. Nije slučajno što se zvao ITER - ova kratica znači Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor, ali ima i simboličko značenje: na latinskom iter je cesta, put. Dakle, reaktor Cadarash trebao bi utrti put termonuklearnoj energiji budućnosti, koja će osigurati opstanak čovječanstva nakon iscrpljenja fosilnih goriva.
ITER će biti strukturiran kako slijedi. U njegovom središnjem dijelu nalazi se toroidalna komora zapremine oko 2000 m3, ispunjena tritij-deuterij plazmom zagrijanom na temperature iznad 100 milijuna stupnjeva. Neutroni nastali tijekom reakcije fuzije napuštaju "magnetsku bocu" i kroz "prvi zid" ulaze u pokrivač slobodnog prostora debljine oko metra. Unutar pokrivača neutroni se sudaraju s atomima litija, što rezultira reakcijom s nastankom tricija, koji će se proizvoditi ne samo za ITER, već i za druge reaktore ako se izgrade. U tom se slučaju "prvi zid" zagrijava neutronima na 400 ºC. Oslobođenu toplinu, kao u uobičajenim postajama, primarni krug hlađenja uzima rashladnom tekućinom (koja sadrži, na primjer, vodu ili helij) i prenosi u sekundarni krug, gdje nastaje vodena para,odlazeći u turbine koje proizvode električnu energiju.
Instalacija ITER doista je mega-stroj. Njegova je težina 19.000 tona, unutarnji radijus toroidne komore je 2 metra, vanjski radijus je veći od 6 metara. Izgradnja je već u punom jeku, ali nitko sa sigurnošću ne može reći kada će prvi pozitivni izlaz energije biti primljen na instalaciji. Međutim, ITER planira proizvesti 200 000 kWh, što je ekvivalent energiji sadrženoj u 70 tona ugljena. Potrebna količina litija sadržana je u jednoj mini bateriji za računalo, a količina deuterija u 45 litara vode. I bit će to apsolutno čista energija.
U ovom bi slučaju deuterij trebao biti dovoljan milijunima godina, a zalihe lako vadivog litija sasvim su dovoljne da zadovolje potrebe za njim stotinama godina. Čak i ako se rezerve litija u stijenama potroše, fizičari će ga moći izvući iz morske vode.
ITER će definitivno biti izgrađen. I, naravno, drago mi je što naša zemlja sudjeluje u ovom projektu budućnosti. Samo ruski stručnjaci imaju dugogodišnje iskustvo u stvaranju velikih supravodljivih magneta, bez kojih je nemoguće zadržati plazmu u niti: zahvaljujući tokamacima!
Anton Pervušin
