Vreme - Kako ukrotiti fuziju: Sunce na Zemlji

VREME 759, 21. jul 2005. / MOZAIK

Kako ukrotiti fuziju:
Sunce na Zemlji

Prema najnovijim prognozama, prva komercijalna fuziona elektrana neće biti u pogonu pre polovine ovog veka. S druge strane, već godinama se priča kako je energija fuzije tek nekoliko decenija daleko

Proces fuzije dijametralno je suprotan fisiji koja predstavlja osnov funkcionisanja današnjih nuklearnih elektrana (i atomskih bombi, u isto vreme). U procesu fisije koriste se teži elementi (uranijum i plutonijum) čijim se cepanjem dobijaju lakši. Fuzija podrazumeva spajanje lakših elemenata u teže procesom koji je prvo osmotren na Suncu. Na nezamislivo visokim pritiscima i temperaturi od dvadesetak miliona stepeni, atomska jezgra vodonika (protoni) fuzionišu se u helijum, uz oslobađanje ogromnih količina energije. Naučnici i inženjeri sada se susreću sa problemom kako da na Zemlji reprodukuju uslove koji vladaju u srcu Sunca.

Nakon više decenija lutanja i polovičnih uspeha, znatno manjih od uloženih sredstava (vidi okvir), najjače države sveta rešile su da objedine svoje napore na polju istraživanja fuzije kao potencijalnog izvora električne energije. Konzorcijum ITER (prvobitno skraćenica za Internacionalni termonuklearni energetski reaktor, danas ime samo za sebe) nastao je 1985. godine, a prvi učesnici bili su SAD, SSSR, Evropska unija i Japan. Bilo je potrebno 16 godina da se okončaju istraživanja vredna 700 miliona dolara pre nego što je predložen konačan dizajn budućeg fuzionog reaktora. Istovremeno, počinju pogađanja oko načina finansiranja projekta, podele rukovodećih mesta i drugih nacionalnih kvota jer je ulog velik i niko ne želi da bude marginalizovan. Razmirice između članica izazvale su dosta tumbanja u samom ITER-u, sve dok se nije ustalio današnji sastav 6+2 (SAD, EU, Rusija, Japan, Kina i Severna Koreja, sa Brazilom i Indijom u izgledu).

Ipak, najviše svađe bilo je oko mesta izgradnje reaktora, iz vrlo opipljivih razloga. Predviđa se da će se u ITER sliti bar deset milijardi evra u narednih trideset godina (pet milijardi za desetogodišnji proces izgradnje postrojenja i još toliko za troškove dvadesetogodišnje eksploatacije), pri čemu će najveći deo tog novca biti potrošen upravo u državi u kojoj reaktor bude izgrađen. Izgradnja reaktora predstavljaće veliki podsticaj za domaću industriju i nacionalni prestiž a nije za zanemarivanje ni 5000 novih, dobro plaćenih radnih mesta. Iako su pogodnu lokaciju svojevremeno ponudili Kanada (Klerington) i Španija (Vandelos), jedini pravi rivali bili su Japanci (Rokašo-Mura) i Francuzi (Kadaraš). Podela u ITER-u bila je kompletna, pošto je Japan imao američku i korejsku podršku, a Francuska evropsku i kinesku.

Posle mnogo bezuspešnih pokušaja, kompromisno rešenje nađeno je 28. juna ove godine. ITER će svoj reaktor izgraditi u Kadarašu, dok će Japan za uzvrat dobiti mesto direktora administracije i 20 odsto istraživačkih mesta u samoj Francuskoj (umesto 10 odsto). ITER se istovremeno obavezao da na teritoriji Japana sagradi prateće postrojenje za ispitivanje materijala i prvi naredni ITER reaktor, dok je EU prihvatila da snosi 50 odsto ukupnih troškova (ostalih pet učesnica po 10 odsto) uz reduciranu personalnu kvotu sa 50 odsto na 40 odsto).

To što je problem sa građevinskim zemljištem i podelom ključnih funkcija rešen, ne znači da će izgradnja komplesa u Kadarašu početi odmah. Kamen temeljac biće položen tek nakon obimnih priprema, prikupljanja ponuda i odabira izvođača, verovatno tokom 2008. godine, dok se početak sklapanja centralnog reaktora ne očekuje pre 2010. Prvi eksperimenti obaviće se tek 2016. godine.

ITER u sebi treba da sublimira rezultate dosadašnjih istraživanja, ali i da ode korak napred i dokaže upotrebljivost fuzije kao komercijalnog izvora električne energije. Koncept ITER-a nije nov, u pitanju je deuterijumsko-tricijumski "tokamak" (šuplja komora oblika đevreka obložena superprovodnim magentima) čija se koncepcija usavršava već četiri decenije (vidi okvir). Očekuje se da reaktor ostvari do sada nezabeležene rezulate: stabilnu plazmu temperature sto miliona stepeni tokom najmanje pet do deset minuta kontinuiranog rada, uz snagu fuzije od 500 megavata i struju plazme od 15 miliona ampera. Za zagrevanje nekih 840 kubika plazme do radne temperature biće potreban spoljašnji izvor energije od "samo" 75 megavata što bi značilo da će reaktor imati pozitivan energetski bilans (ključni element za komercijalnu eksploataciju).

Sva je prilika da će energija nuklearne fuzije, ako je uopšte bude, biti znatno "čistija" od one koju dobijamo fisijom. Osnovni nusproizvod nuklearne fuzije je helijum, inertni gas koji je potpuno neškodljiv za ekosistem i ne doprinosi globalnom zagrevanju planete (kao što to čini ugljen-dioksid iz termoelektrana). Jedan od problema mogao bi da bude radioaktivni tricijum, ali je njegova očekivana količina mala a vreme poluraspada kratko (12 godina). Osim toga, fuzioni reaktor nikada ne bi mogao da proizvede nesreću Černobiljskih dimenzija, s obzirom da radi s malim količinama nuklearnog goriva, dovoljnim tek za nekoliko minuta rada (fisioni reaktori u sebi imaju goriva za višemesečni kontinuirani rad). I na kraju, fuzioni reaktor teško da bi mogao da posluži kao sredstvo za proizvodnju oružja masovnog uništenja, što je sa fisionim reaktorima sasvim moguće. Samim tim, mirnodopsko korišćenje fuzije ne bi podstaklo dalju proliferaciju nuklearnog naoružanja.

Fuzioni reaktor ima još jednu značajnu prednost: za njegov rad potrebno je gorivo čije su rezerve u prirodi praktično neisrcpne. Prva komponenta je deutrijum, izotop vodonika prisutan u vodi, a druga tricijum koji se može proizvesti iz litijuma, izobilno prisutnog u Zemljinoj kori. Za razliku od fisionih reaktora koji kao gorivo koriste skupi i retki uranijum i njegove derivate, fuzioni reaktori koriste neuporedivo pristupačnije i manje opasno gorivo.

Problem radijacije, međutim, postoji i kod fuzionih elektrana, ali u daleko manjoj meri. Fuzioni reaktor oslobađa energiju kroz intenzivnu emisiju brzih neutrona koji neminovno izazivaju radioaktivnost strukturnih materijala. Fuzioni reaktor na kraju svog veka verovatno bi proizveo istu količinu radioaktivnog otpada kao i fisiona elektrana, ali uz jednu bitnu razliku: fuzioni radioaktivni izotopi raspadaju se stotinak puta brže od fisionih (potrebno vreme deaktivacije meri se decenijama umesto milenijumima), što pojednostavljuje problem dugoročnog skladištenja nuklearnog otpada. Procenjuje se da će nakon sto godina postoperativnog radioaktivnog raspada celokupni opasni otpad ITER-a, težak oko 6000 tona, moći da stane u kocku ivice deset metara.

Treba li nam još jedna nuklearna tehnologija za proizvodnju energije, s obzirom na brojne (pre svega ekološke) probleme i poneku katastrofu (Černobilj, 1986) koje smo imali s fisionim reaktorima? Mišljenja su podeljena: na jednoj strani su članice ITER-a koje su i do sada veliki deo električne energije proizvodile u nuklearnim elektranama (Francuska i do 60 odsto), na drugoj države (među njima i naša) koje su, reagujući pomalo autistično i ne shvatajući globalnu prirodu problema, unapred zabranile izgradnju nuklearnih postrojenja, opredeljujući se za ugalj, lopatu i ostale, ni izbliza nisu tako izdašne izvore energije. Međutim, činjenice su neumoljive: produkcija nafte i gasa nakon 2030. godine dospeće u velike teškoće usled sve veće potrošnje i rapidnog iscrpljivanja najvećih svetskih nalazišta. Rezerve uglja jesu dovoljne za nekoliko narednih vekova, ali je cena koju plaća naša planeta kroz kontinuiranu akumulaciju štetnih gasova i pepela neprihvatljiva na duge staze (prošetajte do Vreoca pa ćete shvatiti). Uz to, obnovljivi izvori energije (reke, sunce, vetar, talasi, plima i oseka) teško da će moći da podmire više od 10–20 odsto ukupnih potreba. Hteli mi to ili ne, sviđalo se to Grinpisu i "zelenima", imali zakone koji to zabranjuju ili ne, bićemo prinuđeni da se nekom obliku nuklearne energije okrenemo kad-tad.

dr Sаša Marković

Prljava vremena

Danas je manje-više dobro poznato kako je napravljena prva fisiona (atomska ili A-) bomba, čije su dve zastrašujuće eksplozije označile kraj Drugog svetskog rata i početak atomske ere. Projekat "Menhetn", kojim je rukovodio Robert Openhajmer sa univerziteta Berkli u Kaliforniji, po svojoj ceni, složenosti, ljudskim resursima i strateškoj važnosti verovatno nema pandana u istoriji čovečanstva. Ipak, destruktivni potencijal fisione bombe predstavlja tek delić snage koju ima njen fuzioni ekvivalent.

Priča o razvoju fuzione (hidrogenske, termonuklearne ili H-) bombe počinje 1942. godine, kada je Edvard Teler, američki nuklearni fizičar mađarskog porekla, na jednom seminaru posvećenom atomskom oružju podsetio publiku na Enrika Fermija i njegovu ideju o "superbombi". Fermi je smatrao da bi bomba koja bi funkcionisala na isti način kao i Sunce bila u stanju da oslobodi nezamislivu količinu energije. Iako je Teler smatrao da bi H-bomba mogla da bude napravljena do kraja rata, ostao je potpuno usamljen u istraživanjima i bez Openhajmerove podrške, delimično i zato što je projekat "Menheten" sam po sebi bio dovoljno komplikovan.

Nakon što su eksplodirale fisione bombe nad Hirošimom i Nagasakijem, u naučnoj javnosti porastao je otpor prema razvoju još strašnijih oružja za masovno uništenje, bilo iz moralnih bilo iz pragmatičnih razloga. S jedne strane, bilo je jasno da H-bomba može da služi isključivo kao instrument genocida nad civilnim stanovništvom s obzirom da njena razorna moć isključuje mogućnost koliko-toliko lokalizovane upotrebe. Drugi su, opet, tvrdili da će rad na američkoj H-bombi biti skup i neizvestan, i da će sigurno isprovocirati odgovor SSSR, uz intenziviranje trke u naoružanju. Najjači glas protivljenja došao je od Openhajmera, koji nije želeo da vidi H-bombu u strateškom arsenalu američke vojske smatrajući da će, pre ili kasnije, Sovjeti imati istu takvu. Pri tom, Amerika ima znatno veći broj gusto naseljenih urbanih celina "zgodnih" za gađanje superbombama, dok je broj sličnih meta u SSSR relativno mali.

Akademsku raspravu prekinuo je predsednik Truman, koji je 31. januara 1950. godine doneo odluku da se pristupi izradi fuzione bombe. Znajući da su mu za pokretanje procesa fuzije potrebni ogromni pritisci i visoka temperatura, Teler se vrlo brzo okrenuo velikoj atomskoj bombi kao potencijalnom upaljaču. Ipak, Teler nije uspeo da definiše tehnički koncept H-bombe sve dok mu matematičar Stanislav Ulam nije pokazao kako se zračenje atomske bombe može iskoristiti kao sredstvo inicijalne kompresije i zagrevanja fuzionog materijala.

Amerikanci su prvu H-bombu, sa deuterijumom kao gorivom i "klasičnom" fisionom bombom kao kapislom, testirali na jednom malom ostrvu u Maršalovom arhipelagu, 1. novembra 1952. godine. Testiranje je obavljeno statički, na specijalno konstruisanoj platformi a ne bacanjem iz vazduha pošto nijedan tadašnji bombarder nije mogao da ponese bombu tešku preko 64 tone. Rušilačka moć eksplozije prevazišla je čak i Telerova očekivanja, njena snaga procenjena je na 10,5 megatona, što je 450 puta više od snage bombe bačene na Nagasaki. Opitno ostrvo je bukvalno isparilo a na njegovom mestu stvoren je podvodni krater širok dva kilometara i dubok pedeset metara.

Na sovjetski odgovor nije se čekalo dugo. Već 12. avgusta 1953. Sovjeti su testirali H-bombu koju je konstruisao Andrej Saharov. Iako je jačina ove bombe bila znatnoispod jednog megatona, ipak se radilo o pokretnom oružju koje se moglo natovariti na avion i lansirati na američke gradove (što je sovjetska propaganda maksimalno eksploatisala). Teler je ovaj trenutak zgodno iskoristio da ojača svoju poziciju u armijskim i državnim strukturama, a pomoć mu je neočekivano stigla od strane Makartija i njegove komisije za "lov na veštice". Optužen da se protivio razvoju H-bombe i da je šurovao sa levičarima, Robert Openhajmer je 1954. lišen svih svojih funkcija i pod etiketom "nepouzdan" izbačen sa svih strateških projekata. U saslušanjima je na strani komisije predano učestvovao i sam Teler, zbog čega je bio prezren i odbačen od strane naučne zajedince sve do kraja života.

Krajem februara 1954. godine, Teler je na jednom veštačkom ostrvu u Bikini arhipelagu testirao prvu američku termonuklearnu bojevu glavu (eksperiment "Castle Bravo"). Bila je to najveća nuklearna proba i, istovremeno, najveći nuklearni incident u čitavoj američkoj istoriji. Neočekivano velika eksplozija od 15 megatona (dva puta veća od očekivane), u kombinaciji sa nepovoljnim vremenskim uslovima izazvala je radiološku kontaminaciju na preko 7000 kvadratnih kilometara. Iako su brojna ostrva hitno iseljena pred naletom radioaktivne magle, za mnoge ozračene stanovnike nije bilo spasa: umirali su tokom narednih decenija od raka i drugih bolesti izazvanih radijacijom.

Trka za boljom, jačom i savršenijom H-bombom stigla je do apsurda kada su Saharov i Kurčatov konstruisali sovjetsku "Car bombu", "majku svih bombi", jačine 50 megatona. Prilikom testa izvedenog u arktičkoj pustinji 30. oktobra 1961. godine nastala je nuklearna pečurka visoka 65 i široka 40 kilometara pri čemu je snaga eksplozije dostigla skoro dva procenta snage Sunca. Bomba je, ipak, bila krajnje nepraktična: suviše velika za klasične bombardere, suviše malog dometa za one specijalno prerađene, suviše glomazna za klasične projektile. Pa opet, Hruščov je ovu bombu neizmerno voleo.

Do današnjeg dana H-bomba je zadržala svoje mesto u skladištima velikih sila kao sredstvo finalnog uništenja i konačnog obračuna, nešto što se može upotrebiti samo jednom pre nego što usledi momentalna odmazda suprotne strane i sveopšti "kraj filma". Bizarno hvaljene kao "čiste bombe" (fuzija ostavlja manje radioaktivnog otpada nego fisija), one su ipak jedna od poslednjih relikvija hladnoratovskih "prljavih vremena".

Hladna fuzija

Istraživanje fuzije imalo je i dve prilično bizarne epizode. Prva datira iz 1989. godine kada su svi svetski mediji objavili senzacionalnu vest da su Stenli Pons i Martin Flajšman, u to vreme relativno nepoznati fizičari iz Jute, uspeli da ostvare tzv. hladnu fuziju (fuziju niskog intenziteta na sobnoj temepraturi). Iznenađenje je bilo tim veće što je za otpočinjanje nuklearne reakcije bila dovoljna jedna baterija, dve elektrode i kadica napunjena teškom vodom. Naučna zajednica je, međutim, brzo sasekla Ponsa i Flajšmana, čim se oporavila od početnog šoka. Pošto su se izjalovili svi pokušaji ponavljanja ključnog eksperimenta u strogo kontrolisanim uslovima, Pons i Flajšman su doživeli potpuni fijasko i vratili se u početnu anonimnost.

Slična epizoda ponovila se i 2002. godine, kada se u prestižnom časopisu "Sajens" pojavio rad grupe američkih fizičara o eksperimentalnoj nuklearnoj fuziji u "kolabirajućim mehurićima" acetona obogaćenog deuterijumom. U radu se tvrdilo da u centru implodirajućih mehurića nastaju pritisci i temperature dovoljni za otpočinjanje nuklearne fuzije malog intenziteta. Iako se retke "potvrde" ovog eksperimenta pojavljuju i danas, nijedna od njih ne smatra se dovoljno jakom da potvrdi čitavu teoriju.

Kratka istorija istraživanja

Izučavanje nuklearne fuzije kao potencijlnog izvora energije započelo je radovima Etkinsa i Hautermana 1929. godine. Oni su, precizno mereći mase najlakših hemijskih elemenata i njihovih izotopa, predvideli da se spajanjem lakših elemenata u teže mogu dobiti velike količine energije, shodno Ajnštajnovom zakonu o ekvivalentnosti mase i energije (E=mc2). Deset godina kasnije, fizičar Hans Bejt dobio je Nobelovu nagradu za kvantitativnu teoriju fuzije. Bejt je prvi pokazao da je za proces nuklearne fuzije potrebna temperatura koja se meri milionima stepeni. Pri ovako visokim temperaturama, materija je potpuno jonizovana i nalazi se u agregatnom stanju koje fizičari nazivaju plazmom. Kada temperatura dostigne kritičnu granicu, energija kretanja atomskih jezgara dovoljno je velika da prevlada odbijajuće sile između njih i fuzija postaje moguća.

Put od teorije do prvih praktičnih rezultata bio je trnovit. Vrelu plazmu je, naime, nemoguće kontrolisati sudovima sa čvrstim zidovima, s obzirom da govorimo o temperaturama većim od onih koje vladaju u Sunčevom jezgru (15-20 miliona stepeni). Fizičari su relativno brzo došli na ideju da jonizovanu plazmu izoluju i komprimuju u "nevidljivom sudu" čije bi zidove činile strujnice jakog magnetnog polja, ali je prva magnetna komora, skromnih domena i rezultata, konstruisana tek 1947. godine na Imperijal koledžu u Londonu.

Impuls daljim istraživanjima neočekivano su dali Argentinci koji su 1951. godine objavili da su uspeli da ostvare kontrolisanu nuklearnu fuziju. Iako se ubrzo ispostavilo da su Argentinci blefirali, vest je dala značajan podstrek istraživanjima fuzije, kako u mirnodopske, tako i u vojne svrhe.

Od 1953. godine Amerika, Britanija i SSSR eksperimentišu sa tzv. Zeta reaktorima povremeno objavljujući vesti o značajnim uspesima na polju kontrolisanja plazme. Nažalost, mnoga tadašnja "dostignuća" i "otkrića" ubrzo su demantovana ili svedena u daleko skromnije okvire što je krajem 1958. godine dovelo do definitivnog napuštanja koncepta Zeta reaktora kao nedovoljno perspektivnog. Višegodišnji uzaludni napori imali su veliki uticaj na ponašanje svetskih velesila koje su, čak i u tadašnje vreme hladnog rata i sveopšteg nepoverenja, rešile da obelodane svoja saznanja na polju fuzije i koordinišu dalja istraživanja.

Ključni prodor ostvaren je 1968. godine u SSSR-u kada su Andrej Saharov i Igor Tam konstruisali prvi "tokamak" (ruska skraćenica za "toroidnu komoru unutar magnetnih kalemova") i u njemu uspešno kontrolisali plazmu čija je temperatura bila za red veličine veća od očekivane. Kada su ovi rezultati na licu mesta provereni i potvrđeni od strane vidno impresioniranih zapadnih stručnjaka, koncept tokamak reaktora postao je dominantan, inspirišući brojne generacije naučnika sve do današnjih dana.

Početkom 1976. godine Evropa počinje da radi na projektu tokamaka pod nazivom JET (skraćenica za "združeni evropski torus") koji kao gorivo koristi mešavinu vodonikovih izotopa (deuterijuma i tricijuma). Evropska zajednica je 1978. godine odobrila izgradnju reaktora na napuštenom aerodromu britanske avijacije u Oksforširu, a prvi eksperimenti započeli su pet godina kasnije. JET je imao značajne rezultate, pri čemu je svakako najznačajniji onaj iz 1997. godine kada je reaktor u vršnom opterećenju generisao rekordnih 16MW snage. Ipak, ova energija predstavljala je tek 70% energije potrebne za rad, što znači da je reaktor i dalje trošio više energije nego što je proizvodio.

U prošlosti je bilo još sličnih reaktora, pri čemu je svaki imao poneko značajno dostignuće: engleski "Start" (plazma rekordno visokog pritiska, 1991), američki TFTR (ostvario kontrolisanu fuziju snage 10MW, 1994), Francuski "Tore Supra" (sposoban da održi plazmu u stabilnom stanju duže od dva minuta, 1996), Japanski "JT-60" (prvi reaktor koji je, makar za kratko, imao pozitivan energetski bilans, 1998). Ipak, nijedan dizajn reaktora nije uspeo da objedini dobre elemente svih ostalih i tako ostvari krajnji cilj: stabilnu plazmu i dugotrajnu kontrolisanu nuklearnu fuziju koja generiše više energije nego što troši.