Sve kulture na našoj planeti imaju, u nekoj formi, verziju izjave: „Sunce je izvor života”. Zaista, naša najbliža zvezda je glavni razlog zašto naša planeta izgleda ovako i zašto se na njoj uopšte razvio život. Zemlja od Sunca svake godine primi oko 3,8 jotadžula (YJ, 10²⁴ J) energije. Ta vrednost je nekoliko redova veličine manja od energije koju Sunce otpušta u svemir svake sekunde, ali je istovremeno i oko 7000 puta viša od godišnje energetske potrebe naše planete. Zbog toga, u potrazi za novim izvorima energije, naučnici već dugo pokušavaju da zauzdaju ono što zvezdama daje njihovu, naizgled bezgraničnu energiju. Govorimo o kontrolisanoj nuklearnoj fuziji.

Fuzija

Zavisno od toga koliko imate godina, verovatno se kroz veću ili manju maglu sećate priče iz škole o fuziji i fisiji. Fisija je cepanje atomskih jezgara teških radioaktivnih elemenata. Prilikom ovog cepanja nastaju lakši, stabilniji elementi, a energija koja je držala radioaktivni atom na okupu se oslobađa u okolinu. Ovaj fenomen koriste sve nuklearne elektrane koje su danas u upotrebi. Radioaktivni materijal se raspada i oslobađa energiju koja se koristi za zagrevanje vode za pogon turbina električnog generatora. Princip je isti kao kod termoelektrana na ugalj, a razlog zbog kog bi se neko uopšte petljao sa radioaktivnim raspadom u elektranama je dugoročna isplativost nuklearnih elektrana u poređenju sa klasičnim koje troše ugalj. Naravno, svima nam je poznata opasnost nekontrolisane nuklearne reakcije. Kada se izgubi kontrola nad raspadom nuklearnog goriva, u elektranama može da dođe do havarija poput onih u Černobilju ili Fukušimi, a posledice mogu da budu tragične i dugoročne.

Sa druge strane fisije je fuzija - spajanje manjih atoma u veće. Dok je fisija spontani proces specifičnih izotopa hemijskih elemenata, atomi moraju da se nateraju na fuziju dejstvom spoljašnje energije. Snažne sile koje drže atomsko jezgro na okupu deluju na ekstremno malim udaljenostima - do 2,5 femtometra (fm, 10^-15 m). Unutar zvezda, kao što je Sunce, fuziju podstiču tri faktora. Prvi je ekstremna temperatura (oko 15 miliona ^oC) koja česticama daje dovoljno ubrzanje da se približe jedne drugima. Druga stavka je ogroman pritisak unutar masivnog objekta kao što je zvezda. Unutar Sunca prosečan pritisak je oko 9 x 10¹³ paskala odnosno 900 miliona atmosfera. Treći faktor je takozvani efekat kvantnog tunelovanja, pojam iz kvantne fizike koji objašnjava fenomen da čestica može da probije potencijalnu energetsku barijeru iako ima energiju manju od energije barijere. Zahvaljujući kvantnom tunelovanju, jezgra atoma mogu da se približe dovoljno jedno drugom i spoje se.

Sve ovo znači da je unutar reaktora potrebno da se lakšim atomima dovede ogromna energija - ekstremnim temperaturama, pritiskom ili ubrzanjem - da bi se oni spojili u teži atom. Ipak, za sve elemente koji su lakši od izotopa gvožđe-56 (⁵⁶Fe) fuzija je egzotermna reakcija. To znači da za male atome, bez obzira koliko je energije potrebno da se pokrene fuzija, sama reakcija daje nazad još više energije. Ideja iza stvaranja fuzionog reaktora je da se toplota za zagrevanje vode koja pogoni turbine elektrogeneratora dobije kontrolisanom fuzijom. Zašto? Zato što u slučaju bilo kakvog problema fuziona reakcija jednostavno prestaje - nema opasnosti od havarije i dugogodišnjeg zagađenja radijacijom.

Neko će možda da kaže: „Ali hidrogenska bomba koristi fuziju pa je opet radioaktivna, kako to objasniti?” Termonuklearna oružja su ekstremni oblik fuzije i fisije. Prve atomske bombe bile su isključivo fisione prirode, sa plutonijumom ili uranijumom kao osnovnim fisionim materijalom. Takozvana hidrogenska bomba (engl. hydrogen - vodonik) koristi i fuziju i fisiju koje se međusobno pojačavaju i povećavaju razornost bombe. Tačnije, primarni fisioni deo pravi ekstremnu temperaturu koja pokreće fuzionu reakciju prilikom koje se atomi vodonika, kao unutar zvezde, spajaju i stvaraju atome helijuma. Tako da radioaktivnost kod hidrogenskih bombi potiče od fisije, ne od fuzije. Ipak, tokom same fuzije dolazi do stvaranja gama zračenja, ali reaktor može da se oklopi da ne propušta ovo zračenje i, mnogo bitnije, ono nije dugotrajno već postoji samo dok traje reakcija.

Izotopi

Osnovna fuziona reakcija koristi dva izotopa vodonika - deuterijum i tricijum - i spaja ih u atom helijuma. Izotopi su varijacije nekog elementa koje u atomskom jezgru imaju različit broj čestica. Tako „obični” vodonik, ili protijum, ima u jezgru samo jedan proton. Deuterijum ima jedan proton i jedan neutron, a tricijum jedan proton i dva neutrona. Spajanjem deuterijuma i tricijuma dobija se atom helijuma sa dva protona i dva neutrona, jedan slobodan neutron i energija srazmerna gubitku mase (u skladu sa slavnom Ajnštajnovom jednačinom E=mC²).

Veoma bitne stavke kod ovih izotopa, koji služe kao gorivo za fuzione reaktore, su njihova efikasnost, dostupnost i pre svega bezbednost. Kopanje, prečišćavanje i transport radioaktivnih ruda je očigledno ekstremno opasan i skup posao. Sa druge strane, deuterijum može jednostavno da se dobije iz jednog od najbogatijih resursa na našoj planeti - morske vode. Tricijum se nabavlja malo komplikovanije - potrebno je da se laki metal litijum bombarduje neutronima, ali to nije problem iz tri razloga. Na prvom mestu je činjenica da je ovaj proces opet bezbedniji i jeftiniji od prečišćavanja i obogaćivanja uranijuma. Zatim, pomenuli smo da se prilikom fuzije dva vodonika u helijum otpušta jedan neutron - sam fuzioni reaktor može da se koristi za pravljenje sopstvenog tricijuma.

Najbitnije - smesa deuterijuma i tricijuma za fuziju je trenutno najefikasnije gorivo koje možemo da koristimo za dugoročno dobijanje energije. Jedan kilogram ove mešavine dovoljan je da bi se dobio 1 GW struje. Poređenja radi, za dobijanje iste količine struje neophodno je više od 22 kilograma sirovog uranijuma ili da se sagori oko 6000 tona nafte ili čak više od 10.000 tona uglja. Sem toga, fuzija ostaje način dobijanja energije koji je najčistiji i najbezbedniji po okolinu. Ipak, nameće se pitanje: „Ako su fuzioni reaktori magične mašine koje nas gađaju povoljnom i bezbednom energijom - zašto ih nema u upotrebi širom sveta?” Razloga je više, krenimo redom.

Tokamak

Teoretičarima je veoma brzo postao jasan energetski potencijal fuzije, pa je rad na reaktorima počeo neposredno nakon Drugog svetskog rata, takoreći paralelno sa trkom u nuklearnom naoružavanju. Fuzija je veoma nestabilan proces i, ako ne postoje idealni uslovi za njen tok, reakcija jednostavno prestaje. Rekosmo da na Suncu fuzija nastaje usled temperature od 15 miliona ^oC i ogromnog pritiska. Kao što korisnici ekspres lonca za kuvanje znaju, sa više pritiska, potrebna je manja temperatura. Najčešći fuzioni reaktor ne pokušava da emulira pritisak sa Sunca, već se oslanja samo na temperaturu - i to veću nego unutar naše zvezde - od 100 pa čak i do 150 miliona ^oC. Sledeće pitanje nameće se samo: „Kako da se manipuliše sa nečim što ima toliku temperaturu?”

U još jednom podsećanju na školske dane, prisetićemo se da su nas prvo učili da postoje tri agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Kada smo malo porasli, objasnili su nam da postoji i četvrto, u kom materija postoji kada se gas dodatno zagreva. U pitanju je plazma, ne keks, nego stanje u kom sve čestice postoje isključivo u naelektrisanom obliku - pozitivni joni sa jedne, i negativni joni i elektroni sa druge strane. Samim tim, kao medijum sastavljen isključivo od nosioca naboja, plazma reaguje veoma dobro na elektromagnetna polja i „sud” u kom se ova vrela supstanca drži je zapravo magnetne prirode.

Najpopularniji dizajn za fuzioni reaktor nosi ime tokamak, u pitanju je skraćenica ruskog porekla od termina „toroidna komora sa magnetnim kalemovima”. Tokamak su sredinom pedesetih godina prošlog veka dizajnirali sovjetski naučnici Andrej Saharov i Igor Tam, razrađivanjem ideja Olega Lavrentijeva. Samo ime donekle objašnjava kako ova vakuumska komora izgleda. Prstenastog je oblika i oko nje su postavljeni snažni elektromagneti koji stvaraju magnetno polje i u horizontalnoj i u vertikalnoj ravni. Dok su starije verzije ovih reaktora bile pravilnog, kružnog preseka (torus), presek modernih reaktora pre liči na slovo D, ali oni i dalje nose tradicionalno ime tokamak. Kada se u ovakvu komoru ubaci gasoviti vodonik i zagreva se, nastaje oblak plazme čiji oblik (nalik krofni sa rupom u centru) se kontroliše manipulisanjem magnetnim poljima.

Upravo ova kontrola plazme je kritičan faktor u razvoju fuzionog reaktora. Naučnici opisuju kretanje plazme u magnetnom polju rečima „divlje” ili „kao da je živa”. Za sada, svetski rekord u dužini trajanja kontrolisanja plazme u magnetnom polju iznosi šest i po minuta i postavljen je 2003. godine u francuskom reaktoru Tore Supra. Tom prilikom je postignuta emisija od preko 1 GJ energije.

Kompjuteri

Da li je potrebno naglašavanje činjenice da je napredak u razvoju fuzionih reaktora išao ruku pod ruku sa razvojem računara? Podrazumeva se da je sve kompleksniji dizajn reaktora uveliko olakšan radom na kompjuterima. Očigledno najbitnije, računarsko upravljanje sve većim i jačim elektromagnetima za kontrolu superzagrejane plazme je upravo razlog za sve duža vremena održavanja reakcije i sve bolje energetske rezultate u radu reaktora.

Ipak, dobar praktičan rad mora da bude potpomognut kvalitetnim simulacijama. Kada govorimo o proračunavanju ponašanja plazme u kompleksnim magnetnim poljima, govorimo o dugotrajnom radu superkompjutera. Jedan od njih je i IBM Mira pokrenut 2012. godine, koji se nalazi u Nacionalnoj laboratoriji Argonne u SAD. Mira je Blue Gene/Q superkompjuter čijih 786.432 jezgara troši 3,9 MW/h struje i po snazi je, sa svojim maksimumom od 10,06 petaflopsa trenutno peti u svetu. Mira se koristi, kao i ostali računari ovakve snage, za pravljenje najrazličitijih komplikovanih modela, od kosmologije do meteorologije. U slučaju primenjene fizike, računar Mira je direktno odgovoran izgradnju najvećeg tokamak reaktora do sada zvanog ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

U pitanju je zajednički projekat Evropske unije, Indije, Japana, Južne Koreje, Kine, Rusije i Sjedinjenih američkih država pokrenut 2007. godine sa početnim budžetom od 10 milijardi evra. Cilj projekta ITER je da na polju fuzionih reaktora nastavi sa premošćavanjem jaza između eksperimentalnog i komercijalno upotrebljivog. Reaktor se gradi u francuskom gradu Kadarašu i trebalo bi da bude pušten u pogon 2020. godine. Ukoliko ITER obavi sve eksperimente u skladu sa očekivanjima, 2024. godine počeće izgradnja njegovog naslednika, po imenu DEMO, koji treba da bude prvi fuzioni reaktor povezan na evropsku elektrodistributivnu mrežu.

Veličina ovog reaktora jednostavno je bez premca, ITER ima oko deset puta veću zapreminu od većine bivših i aktivnih reaktora tokamak dizajna. Izgradnja ovako bitnog i skupog projekta nije mogla da bude prepuštena slučaju, naučnici su morali da znaju unapred kako će toliko velika količina plazme da se ponaša u tako jakim magnetnim poljima. Problem je bio što u trenutku pokretanja ovog projekta nije postojao superkompjuter od jednog, a kamoli deset petaflopsa koji bi u normalnim vremenskim okvirima obavio neophodne proračune za turbulencije u plazmi. Ponovljene simulacije rađene na računaru Mira pokazale su da gubitak plazme usled vrtložnog kretanja nije proporcionalan veličini samog reaktora, odnosno kakve su specifikacije magnetnog polja u reaktoru neophodne za stabilan i optimalan rad.

• • •

ITER je samo jedan od projekata čiji cilj je da fuzioni reaktori postanu stvarnost. Tu je britanski MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak) na kom se testira ekonomičnost manjih reaktora, snage do 1 GW. NIF u Kaliforniji koristi potpuno drugu vrstu fuzionog reaktora. U pitanju je inerciona fuzija gde se nekoliko miligrama goriva bombarduje visokoenergetskim laserskim zracima sa svih strana što izaziva fuzioni bljesak - slično hidrogenskoj bombi bez fisione komponente. Sandia Z-Machine u Novom Meksiku koristi inercionu fuziju sa takozvanim pinč efektom. Kod ovog efekta, kada se ekstremno snažna struja kreće kroz provodljivi materijal razvija se toliko jako magnetno polje da sažima provodnik (u ovom slučaju plazmu). Istraživači u svim centrima imaju mnogo optimizma da će baš njihova varijacija fuzionog reaktora biti korak u pravom smeru ka bezgraničnoj, jeftinoj energiji.

Ipak, da li će ta energija da bude bezgranična i koliko će da bude jeftina? Aktuelne procene su da će fuzioni reaktori da postanu stvarnost tek u sledećih trideset do pedeset godina. Ova tehnologija jeste korak napred od trenutnog stanja stvari gde energetski sistemi, u manjoj ili većoj meri, ugrožavaju našu okolinu. Nakon kratke pauze za divljenje pred naučnim i tehnološkim napretkom na ovom polju, ostaje nam podatak sa početka teksta da Sunce Zemlji svakodnevno daje nekoliko hiljada puta više energije nego što nam je potrebno. Nekako se ipak čini da bolje dugoročno rešenje energetskih problema čovečanstva pre leži u pronalaženju novih i implementaciji postojećih načina da se iskoristi energija „velikog” Sunca, nego u pokušajima da se napravi džepno sunce u reaktoru.