Oba pristupa nuklearnoj fuziji imaju zajednički cilj—iskorištavanje snage sunca na Zemlji.
Prošli tjedan političari i čelnici sastali su se u Glasgowu na COP26 kako bi dogovorili politike koje bi mogle ublažiti klimatsku krizu. Budući da potreba za energijom potiče tu krizu, moglo bi biti primamljivo pogledati sunce koje gori i zapitati se možemo li učiniti ono što ono čini – to jest nuklearnu fuziju.
Znanstvenici već desetljećima pokušavaju postići fuziju. Međutim, to zapravo zahtijeva prevladavanje golemog broja logističkih izazova. Iako je fuzija znanost koja se kreće sporo, znanstvenici su sve bliže ostvarenju sna.
Svoje napore dijele između dvije vrste fuzijskog reaktora. Jedan pristup postaje velik i pokušava pokrenuti fuziju u komori veličine sobe. Drugi ide malo i pokušava učiniti isto u kuglici veličine igle. Ali oboje, u konačnici, pokušavaju oponašati ono što se događa na suncu.
Naša zvijezda proizvodi svoju ogromnu toplinu i zasljepljujuću svjetlost stapanjem atoma vodika, koji se skupljaju stvarajući helij i nevjerojatnu količinu energije. To je ono što istraživači fuzije u konačnici žele učiniti: kad bismo mogli stvoriti čak i blijedu sjenu zvijezde na Zemlji, to bi otvorilo vrata nevjerojatnim količinama čiste energije.
Ovo su dva pristupa koji najviše obećavaju.
Postaje veliko
Sunce može s lakoćom spojiti atome vodika zbog paklenih uvjeta u svom središtu. Na temperaturama od desetaka milijuna stupnjeva, atomi svladavaju elektromagnetske sile koje ih prirodno drže razdvojene. Spajaju se. Ta reakcija ne proizvodi stakleničke plinove.
Na takvim temperaturama atomi su toliko vrući da gube svoje elektrone i postaju vrela juha od električki nabijenih čestica, koja se naziva plazma. Primjenom električnih i magnetskih polja znanstvenici mogu manipulirati i miješati ovu juhu.
Stvaranje plazme na Zemlji je izvedivo. Ali to je samo prvi korak. Zatim, fizičari moraju kompresirati plazmu u dovoljno visoke gustoće. Jedan od načina da se to učini je da se plazma stavi u čvrsti magnetski kavez. To se zove magnetska zatvorena fuzija.
Najpoznatija posuda za ovu metodu je tokamak: komora u obliku krafne obično velika otprilike kao soba srednje veličine. Zidovi komore dom su moćnih magneta koji pomažu prikupiti plazmu dok ne dosegne dovoljno visoku gustoću za pokretanje fuzije.
[Povezano:Ljudi su upravo proizveli nuklearnu energiju sličnu zvijezdi]
Dugo traženi cilj fuzije je prag koji se naziva "zapaljenje", kada reaktor ispušta više energije nego što je potrebno za pokretanje - što je neophodno mjerilo da bi fuzijska elektrana bila održiva. No iako magnetska zatvorena fuzija postoji od 1950-ih, do sada nijedan takav reaktor nije došao ni blizu te oznake.
No, znanstvenici se nadaju da bi taj datum mogao biti na vidiku. U izgradnji, smješten u brdima južne Francuske, nalazi se najveći i najsnažniji tokamak koji je svijet ikada vidio: Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor ili ITER. Njegov tokamak bit će deset puta prostraniji od današnjeg najvećeg. Budući da se radi više od desetljeća, ITER se nada da će započeti s radom 2025. godine. Zvao se najskuplji znanstveni eksperiment ikada.
Ide malo
Dio svijeta iz Francuske, u kolovozu 2021., krenula je još jedna vrsta reakcije. U National Ignition Facility (NIF) u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore u Kaliforniji, znanstvenici najavio proveli su fuziju s toliko visokom učinkovitošću da je skoro došlo do paljenja.
U uspješnom eksperimentu NIF-a nema tokamaka. Umjesto toga, NIF koristi vrstu reakcije koja se naziva inercijska zatvorena fuzija. To se oslanja na uzimanje sićušne kuglice vodikovog goriva, obično veličine glave pribadače, i potresanje snažnim udarnim valovima. Dok ti udarni valovi preplavljuju kuglicu, oni sabijaju i kuhaju vodik unutra do tlakova i temperatura dovoljno visokih za pokretanje fuzije.
[Povezano: Još uvijek zapravo ne znamo što je unutar sunca - ali to bi se moglo vrlo brzo promijeniti]
Fizičari mogu stvoriti te udarne valove na više načina, ali gotovo svi se oslanjaju na usmjeravanje visokoenergetskih lasera na kuglicu. Neki objekti izravno eksplodiraju kuglice tim laserima. NIF, umjesto toga, pretvara energiju lasera u X-zrake, koje zauzvrat pogađaju kuglicu.
To oduzima više energije, ali također čini postavku manje delikatnom i lakšom za upravljanje dajući znanstvenicima samo malo više prostora za rad. “Proces komprimiranja jedne od ovih stvari... vrlo je zahtjevan. Sve mora biti stvarno, krajnje precizno”, kaže Doug Larson, ravnatelj NIF-a.
NIF i njegovi parnjaci mogu stvoriti goleme pritiske, više nego što je to moguće u tokamaku—ali pritisci u tokamaku traju mnogo dulje.
"Na NIF-u možemo stvoriti pritiske do otprilike stotinu milijardi atmosfera - stvarno, stvarno, ludi ekstremni pritisci—ali te stvari postoje u našoj ciljnoj komori trilijuntne dijelove sekunde,” kaže Larson.
NIF je jedino postrojenje za inercijsku zatvorenu fuziju te veličine, iako su ostala takva postrojenja, poput Laserski megadžul u Bordeauxu, Francuska, i predloženi Shenguang IV u Kini, možda jednog dana odgovara.
Sunčanija budućnost za fuziju?
Fizičari kažu da je ovo uzbudljivo vrijeme u svijetu fuzije. "Tijekom prošle godine, puno razumijevanja se skupilo na način da se napredak stvarno ubrzao" u NIF-u, kaže Larson.
Fuzijski reaktori obećavaju gotovo neograničenu snagu – ali oni su daleko od trenutnog lijeka za klimatsku krizu. Eksperiment u kolovozu na NIF-u oslanjao se na laser koji može pulsirati svakih nekoliko sati, na primjer. Ali da bi inercijska zatvorena fuzijska elektrana bila komercijalno održiva, kaže Larson, taj se laser mora aktivirati svakih nekoliko sekundi. NIF planira nadograditi taj laser.
Što se tiče ITER-a, divovskog tokamaka koji se gradi u Francuskoj, to je samo međukorak prema tome da fuzijska energija postane izvediva. Njegovi graditelji se nadaju da će znanje iz ITER-a poboljšati fuzijske reaktore sljedeće generacije, nazvane Demonstracijska fuzijska elektrana, ili DEMO. DEMO bi, nadaju se, mogao biti ono što ljudima donosi fuziju. Te elektrane neće se početi graditi prije 2030-ih.
