Ako bi slučajan putnik od Marseja krenuo malo u kontinentalni dio Francuske, te posle nekih 70-ak kilometara naletio na mjesto zvano Sen Pol le Dirans, eventualno nekako nabasao na hale sa natpisom ITER i pokušao da uđe, sigurno bi ga uhapsilo obezbjeđenje. Ali ajde da računamo da bi nekim čudom uspio da baci pogled šta ima tamo. Šta god da pomislio, sigurno ne bi da su pred njegovim očima prvi koraci čudesnog poduhvata: izgradnja najsloženije mašine ikad dizajnirane. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) predstavlja najveći i najambiciozniji projekat u dosadašnjem razvoju tehnologije naše civilizacije.
Sklapanje vještačkog Sunca u glavnoj hali ITER-a
Nego, vratimo se u SSSR i to u 1950-e godine. Sovjetski fizičari Igor Jevgenjevič Tam i Andrej Dmitrijevič Saharov daju prva idejna rešenja tokamaka, mašine za proizvodnju toroidalnog magnetnog polja za razgraničenje plazme. Pojam tokamak je transliteracija ruske riječi токамак koja je sama po sebi skraćenica od ruskih riječi: „тороидальная камера с магнитными катушками” – toroidalna komora s magnetizovanim zavojnicama. Na krilima njihovih rešenja, Natan Javlinski 1958. konstruiše prvi funkcionalni tokamak zvani T1. U narednim decenijama, to će postati tehnologija koja će dominantno preuzeti realizaciju ideje nuklearne fuzije, potiskujući ostale koncepte.
Prvi tokamak ikada – T1 na institutu Kurčatov u Moskvi. U njegovoj bakarnoj vakumskoj posudi proizvedeno je 0.4 m3 plazme. ITER će izgradnjom postati najveći ikada, sa zapreminom od 830 m3 plazme
Širom svijeta, preko 200 Tokamaka različitih timova je konstruisano, da bi utrli put velikom dogovoru koji se desio 1985. godine u Ženevi. Na prvom sastanku tadašnjih lidera SSSR-a i SAD-a, Mihaila Gorbačova i Ronalda Regana, dogovreno je da zemlje počnu zajednički da rade na razvoju energije fuzije u miroljubive svrhe. Godinu kasnije, pada dogovor između vodeće dvije svjetske sile i Evropske unije i Japana, te 1988. se razvija koncept. 13 godina kasnije, članice odobravaju konačan projekat. Kina i Južna Koreja upadaju 2003. a Indija 2005. i najambiciozniji naučni projekat na planeti može da počne.
Godine 2005. određuje se konačna lokacija i izbor pada na mjesto na koje je nabasao naš slučajni prolaznik sa početka priče. Svakako da je kod izbora lokacije uticalo i to što se u blizini nalazio najveći evropski centar za eksperimente sa nukelrnom energijom u Kadarašu. Zatim se i zvanično osniva organizacija ITER 2007. godine, a 2010. počinje izgradnja reaktora.
Danas ITER predstavlja organizaciju u kojoj učestvuje preko 30 zemalja i na kojem u raznim krajevima svijeta rade hiljade ljudi.
Zašto toliko interesovanje za fuzijom? Nuklearna fuzija, za razliku od fisije (postojećih termonuklearnih elektrana) zahtijeva mnogo manje opasnije a mnogo više dostupnije gorivo od fisije. Fuzija se izvodi korišćenjem izotopa vodonika kao goriva kojeg u prirodi ima na svakom ćošku. Deuterijum (izotop vodonika) može biti destilovan iz bilo kakve vode. U jednom metru kubnom morske vode ima 33 grama deuterijuma i dobijanje ovog goriva je rutinski proces u nauci i industriji. Kod tricijuma je situacija nešto složenija jer ga ima jako malo na Zemlji, ali dovoljno za testiranja tokamak reaktora. Međutim, postoji način da se tricijum dobije od litijuma, kojeg ima sasvim dovoljno. Gorivo koje koristimo za fisiju (uranijum, plutonijum ili torijum) nije baš lako dobaviti, a i poprilično je skupo. Takođe, nuklearna fuzija ne proizvodi radioaktivni otpad, jedini nusproizvodi su atomi helijuma, koje još čak možemo iskoristiti posle fuzione reakcije. U slučaju havarije, fuzioni reaktor će samo prestati da radi, jer će se plazma ohladiti, dakle, nikakva eksplozija nije moguća. O superiornosti fuzione energije u odnosu na termoeletrane na ugalj je izlišno govoriti. Fuziona rekacija je oko četiri miliona puta energičnija od reakcija koje se dobijaju sagorijevanjem uglja, nafte ili gasa. Za elektranu snage 1000 MW sagorijevanjem uglja bi bilo potrebno 2.7 miliona tona goriva, dok bi fuzionoj bilo dovoljno 250 kg, za godinu dana. U plazmi bi se u svakom trenutku nalazilo samo nekoliko grama goriva, što ovakav raaktor čini izuzetno ekonomičnim.
Ovaj mamutski projekat predstavlja, najjednostavnije rečeno, pokušaj pravljenja replike Sunca. Na Suncu se odvija konverzija vodonika u atome helijuma kroz proces koji se dešava na ogromnim temperaturama. Kako sve to da se izvede na Zemlji? Prvo, mora se postići, po mnogim fizičarima, četvrto agregatno stanje materije – plazma. Plazma nema baš opipljivo svojstvo kao uobičajena tri agregatna stanja, već je nešto što bi se laički moglo opisati kao pola puta od materije do energije. Vodonik treba da se zagrije na 150 miliona stepeni Celzijusa da bi došao u stanje plazme. Tada će se desiti fuzija jezgara izotopa vodonika deuterijuma (D) i tricijuma (T) i stvoriti se jedno jezgro helijuma, koje se zove i „alfa čestica" - i jedan neutron. Jezgro helijuma, koji nosi 20 procenata energije proizvedene reakcijom fuzije, naelektrisano je i na mjestu ga drže magnetna polja Tokamaka, dok neutron bježi. Toplota koju obezbjeđuju ove alfa čestice doprinose održavanju temperature plazme i smanjuje potrebu za spoljašnjim zagrijevanjem. Kada grijanje jezgrima helijuma („alfa grijanje") iznosi preko 50 procenata, kaže se da „plazma gori".
Kako će se “desiti“ fuzija u ITER reaktoru. Energija će se u ovoj fazi jednostavno baciti, njenim hvatanjem će se baviti naslednik ITER-a
Zašto je bio potreban torusni dizajn? Joni i elektroni u centru fuzijske plazme su na vrlo visokim temperaturama te imaju srazmjerno velike brzine. U cilju održavanja procesa fuzije, čestice iz vruće plazme moraju biti zadržane u središnjem dijelu, ili se plazma brzo ohladi. Fuzijski reaktori iskorištavaju činjenicu da na naelektrisane čestice u magnetnom polju djeluje Lorencova sila.
U operativnom fuzionom reaktoru, dio energije koji se generiše će služiti za održavanje temperature plazme dok se novi deuterijum i tricijum uvode. Međutim, kod pokretanja reaktora, bilo iz početka ili nakon privremenog isključivanja, plazma se mora zagrijati na svoju radnu temperaturu veću od 10 keV (preko 100 miliona stepeni Celzijusa). U postojećim tokamacima, magnetska fuzija ne proizvodi dovoljno energije za održavanje temperature plazme. I upravo u ovom je problem za koji se svi nadaju da će biti riješen sa ITER-om, da ćemo dobiti prvi tokamak koji proizvede više energije nego što je potroši.
Dosadašnji „svjetski rekord“ za kontrolisanu fuziju drži evropski tokamak JET (Joint European Torus) koji je uspio proizvesti 16 MW fuzione energije od 24 MW toplotne energije, sa koeficijentom iskorišćenosti Q=0.67. Od ITER-a se očekuje Q ≥ 10. Za 50 MW ulazne toplotne energije trebao bi da proizvede 500 MW fuzione energije u dugim impulsima od 400 do 600 sekundi.
Unutrašnjost JET tokamaka prije puštanja u rad i u toku rada (desno)
ITER neće uhvatiti ovu energiju, već, kao i što mu samo ime kaže, eksperimentalno utire put za narednu generaciju reaktora koja će biti namijenjena za to. Ovaj projekat treba prije svega da dokaže da je ovaj proces uopšte moguć.
Cijela ova megaskalamerija se prostire na 180 hektara i sve je raspoređeno u 39 zgrada. Samo srce, zgrada tokamaka, je sedmospratna građevina koja se nalazi 13 metara ispod nivoa platforme i 60 m iznad nje. Procjenjuje se da je do sada u izgradnji objekta učestvovalo preko 2000 radnika, a još toliko je sada uključeno u ugradnju svih potrebnih djelova i opreme. Radi se o ugradnji preko milion komponenti, koje imaju preko 10 miliona djelova napravljenih širom ovih 30-ak zemalja. Inženjeri su do sada proizveli i 100.000 kilometara niobijum-tin metalne žice, koja je bila potrebna za pravljenje tako velikih magneta. Po procjeni samog ITER-a, projekat je na današnji dan na 73.4% posla od prve plazme, što se za sada očekuje u decembru 2025. godine.
Brojne tokamak mašine širom svijeta su poslednjih godina preorjentisale svoj rad i prilagodile ga ovom zajedničkom projektu. Sada se tesiranja i razvoj tehnologija potrebnih za izgradnju ITER-a dešavaju na različitim mjestima, pa se kompletno znanje i fizička izvedba zatim koncentrišu u Sen Pol le Diransu. To su recimo indijski ADITYA (sinonim za Sunce na Hindu jeziku), američki tokamak Alcator C-Mod, zatim ASDEX na institutu Maks Plank u Njemačkoj, mali tokamak COMPASS u Pragu, američki DIII-D u San Dijegu, italijanski DTT, kineski EAS, ruski Globus-M2, ili još jedan kineski HL-2M. Za ovaj poslednji su kineski istraživači prije nekoliko dana javili da su uspjeli da zadrže plazmu na temperaturi od 120 miliona stepeni Celzijusa 101 sekundu. Po njihovim riječima, to su trenutni rekordi, a sledeći korak bi bio održavanje ovih temperatura čak nedelju dana. Ovakav sinhronizovan projekat vodećih tehnoloških sila svijeta je ono o čemu smo svi kao ljubitelji tehnološkog razvoja sanjali. Vjerovatno bi moglo da ide brže ako bi same vlade ovih država bile izdašnije u finansiranju, ali teško je danas ljude koji odlučuju ubijediti da ulažu u nešto od čega neće biti profita odmah, a bogami ni za još koju deceniju. Ipak, projekat dobro napreduje, te ipak moramo biti zadovoljni što pred našim očima raste nešto što bi nas konačno moglo uvesti u civilizaciju tipa 1, po Kardaševoj podjeli.
Šta je čije zaduženje kod ITER-a
Kada smo kod koštanja, početne procjene za ITER su bile oko 6 milijardi eura. To je naravno naraslo na nekih 18-22 milijarde koliko će po najnovijim procjenama biti potrebno za izgradnju i operativnost, a zli jezici prigovaraju kako će otići na 45-65 milijardi eura što ITER organizacija odlučno demantuje, bar za sad. Procentualno, tokom konstrukcije, Evropa finansira 45.5%, a Kina, Indija, Japan, Koreja, Rusija i SAD po oko 9%. Za operativnu fazu, podjela troškova će ići na 34% od strane Evrope, 13% Japan i SAD, a Kina, Indija, Koreja i Rusija po 10%.
Već postoji plan i za naredni korak. Posle ITER-a, cijela ova priča će ući u narednu fazu zvanu DEMO. Biće iskorišćeno sve ono što je naučeno i ostvareno kroz prvu tokamak megastrukturu, samo što će kroz DEMO biti ostvaren kontinuirani ili gotovo kontinuirani rad (u stabilnom stanju), za razliku od ITER-a koji će raditi samo u dugim impulsima. No, sam izraz DEMO više predstavlja fazu nego jednu mašinu. Da li će i taj projekat biti centralizovan ili rasut na gomilu manjih sinhronizovanih projekata po zemljama članicama organizacije, to će se vidjeti. Za sada, izgradnja DEMO-a se planira 2030-ih, a početak rada 2040-ih. Očekuje se da će se DEMO baviti ulaskom fuzione energije u električnu mrežu. U odnosu na ITER-ov Q=10, očekuje se da bi DEMO mogao imati 30 do 50 odnos ulazne i izlazne energije. Dakle, paralelno sa izradom jedne, u toku je konceptualno planiranje naredne generacije ovih mašina.
Evolucija tokamaka. Evropski JET, japanski JT-60SA, te aktuelni ITER u izgradnji i DEMO jednog lijepog dana u budućnosti
Možda ponekad ta budućnost ne izgleda baš svijetla, naročito kada pogledamo koliko novca se ulaže u vojske širom svijeta, ali eto, nauka kao voda uvijek pronađe svoj put. Enormno uvećanje energetskih potreba sve više opterećuje planetu, tako da smo prinuđeni tražiti bolja rešenja od sadašnjih. Nuklearnom fuzijom su se ljudi počeli baviti još 30-ih i 40-ih godina prošlog vijeka, međutim, niz otežavajućih okolnosti i problema nije dozvoljavao vidljiviji napredak. Ipak, djeluje da bi ovakav, internacionalni projekat mogao da napravi taj prelomni korak i uvede ovu tehnologiju u eksploataciju za korist cijele planete. Svakako, strpljenje će nam biti potrebno jer ITER-u će trebati 10 godina da profunkcioniše u potpunosti, od prvog stvaranja plazme koje je planirano za 2025. godinu. No, koliko god djelovale preduge sve te faze sa prvim tokamak mašinama, te ITER-om i njegovim naslednikom DEMO-om, mi zapravo savlađujemo izuzetno zahtjevnu reakciju koja se dešava na našoj matičnoj zvijezdi za manje od sto godina i to predstavlja grandiozan uspjeh. I to treba da nam da civilizacijski optimizam.
Reference:
https://sr.wikipedia.org/sr/Tokamak
https://sr.wikipedia.org/sr/Nuklearna_fuzija
https://www.power-technology.com/news/iter-project-begins-five-year-assembly-phase-in-france/
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
