Jedrska fuzija: definicija, delovanje in izzivi za čisto energijo

Jedrska fuzija: kaj je, kako deluje in ključni tehnološki ter varnostni izzivi pri razvoju čiste, stabilne oskrbe z energijo prihodnosti.

Jedrska fuzija je proces, pri katerem iz dveh lažjih jeder nastane eno samo težko jedro (del atoma). Ta proces se imenuje jedrska reakcija. Pri tem se sprosti velika količina energije. V osnovi gre za pretvorbo delne mase v energijo, kar opisuje Einsteinova enačba E=mc2: masa, ki "»izginja«" pri združitvi jeder, se spremeni v sproščeno energijo.

Kako deluje fuzija

Pri fuziji morata dve pozitivno nabiti jedri premagati medsebojni električni odboj. To zahteva zelo velike hitrosti (tj. visoke temperature) in pogosto tudi visok tlak. Ko se jedri združita, nastane hujše jedro in presežna masa se sprosti kot energija. Najlažja in najbolj obravnavana reakcija za energijsko rabo je združitev deuterija in tritija (D–T), saj ima relativno veliko verjetnost (cross-section) pri "nižjih" fuzijskih temperaturah (~100 milijonov kelvin) v primerjavi z drugimi gorivi.

Kje poteka fuzija v naravi

Fuzija je glavni vir energije v jedrih zvezd, kot je Sonce. V jedrih zvezd se vodikovi atomi pretvorijo v helij skozi verige reakcij (npr. proton-proton veriga ali CNO-cikel pri težjih zvezdah). Sproščena energija poganja toploto in svetlobo zvezd. Proces fuzije lahko ustvarja tudi vse večje elemente v zvezdah in pri eksplozijah supernov, vendar se zvezdno fuzijsko ogrevanje ustavi, ko nastanejo elementi, kot je železo (kovina), saj združevanje težjih jeder ne sprošča več energije. Takrat zvezda izgubi vir energije in se sčasoma ohladi ali eksplodira, kar pripelje do njenega »umna« konca ali smrti (umre).

Izzivi za izvedbo fuzije na Zemlji

Na Zemlji je zelo težko sprožiti trajno in energetsko koristno jedrsko fuzijo, ker zahtevane temperature in tlaki niso enostavno dosegljivi v običajnih pogojih. Glavni tehnični izzivi so:

• Coulombova ovira: treba je premagati električni odboj med jedri z dovolj visoko energijo.
• Konfiniranje plazme: pri takšnih temperaturah so snovi ionizirane v plazmo, ki se mora zadržati dovolj dolgo in gosto, da pride do zadostnega števila trkov (Lawsonov kriterij oziroma "triple product" nTτ).
• Materiali in nevtroni: reakcije D–T proizvajajo hitre nevtrone, ki povzročajo poškodbe in radioaktivno aktivacijo konstrukcijskih materialov ter zmanjšujejo življenjsko dobo komponent.
• Izmenjava toplote in divertor: kako učinkovito odvzeti nastalo toploto in zaščititi stene reaktorja pred ekstremnimi obremenitvami.
• Dobava goriva: tritij je redka in ga je treba pridelati (npr. v "breeding" oblogah z litijem), kar prinaša dodatne tehnične zahteve.
• Varnost in nadzor: zagotoviti je treba kontrolirane in varne pogoje brez nevarnosti za okolje in ljudi.

Obstoječi pristopi in napredek

Glavni pristopi za nadzorovano fuzijo so magnetno konfiniranje (npr. tokamaki, stellaratorji) in inercično konfiniranje (npr. lasersko stiskanje malih kapsul goriva). Najpomembnejši sodobni projekti vključujejo mednarodni projekt ITER (tokamak) in poskuse z močno lasersko kompresijo v obrambno- in raziskovalnih ustanovah. Znanstveniki in inženirji delajo na številnih tehnologijah: superprevodnih magnetih za dolgo trajajoče polja, naprednih materialih, sistemih za pridobivanje in shranjevanje tritija ter boljšem razumevanju plazemskih nestabilnosti.

Nekateri poskusi so dosegli pomembne mejnike: v laboratorijih so kratkotrajno ustvarili plazmo z zelo visokimi temperaturami in v nekaterih primerih sprostili znatne količine fuzijske energije. Edini praktični (neskontrolirani) primer množične fuzijske sprostitve je bil v jedrskem orožju — vodikova bomba, ki uporablja fisijsko eksplozijo za sprožitev fuzije. V znanstvenem okolju pa so nedavni poskusi, na primer pri velikih laserskih in tokamak napravah, pokazali napredek: nekatere meritve so potrdile, da je energija, sproščena v gorivu, presegla energijo, ki je gorivu neposredno dostavljena, vendar še vedno ni bilo doseženo pozitivno energijsko ravnotežje celotnega sistema, ko upoštevamo vso porabljeno energijo za delovanje naprav.

Prednosti fuzijske energije

• Velik potencialni izkoristek energije z majhno količino goriva (deuterij je obilno prisoten v morski vodi).
• Ni dolgoročno škodljivih radioaktivnih odpadkov, kot jih proizvaja fisija; odpadki so predvsem posledica aktivacije struktur in so običajno krajše življenjske dobe kot tisti iz jedrskih elektrarn na fisijo.
• Nizko tveganje za nesreče z verigo samonasilnih reakcij — fuzijski reaktor se v primeru napake preprosto ohladi in reakcije prenehajo.
• Ni neposrednih emisij ogljikovega dioksida med proizvodnjo elektrike.

Slabosti in omejitve

• Tehnična zahtevnost in visoki začetni stroški razvoja in izgradnje reaktorjev.
• Produkcija nevtronov pri D–T reakcijah, ki povzroča aktivacijo materialov in fiskalne izzive za vzdrževanje ter demontažo.
• Potrebna infrastruktura za pridobivanje in recikliranje tritija.

Kaj pričakovati v prihodnosti

Raziskave napredujejo več smeri hkrati: veliki mednarodni projekti (npr. ITER) poskušajo dokazati izvedljivost velikega tokamaka, medtem ko industrijski in akademski start-upi raziskujejo alternativne koncepte z manjšo velikostjo in drugačnim pristopom. Namen ITER-ja je pokazati, da je mogoče ustvariti dolgo trajajoč, močan plazemski tok, ki proizvaja bistveno več fuzijske moči, kot naprava vloži v plazmo; naslednji fazi bi bila komercialna demonstracije (DEMO) in nato komercialni reaktorji. Realistična pričakovanja strogo govorijo o desetletjih nadaljnjega razvoja in komercializacije, čeprav lahko lokalni tehnološki napredki pospešijo nekatere dele poti.

Na koncu je jedrska fuzija obetaven, a zahteven cilj: če bodo rešeni glavni tehnični in gospodarski izzivi, lahko predstavlja pomemben vir čiste, varne in skoraj neomejene energije v prihodnosti.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je jedrska fuzija?

V: Kako ta proces poteka?

V: Kje poteka ta proces?

V: Ali se lahko vsi elementi združijo s fuzijo?

V: Ali je na Zemlji enostavno sprožiti reakcije jedrske fuzije?

V: Ali je kdo uspel nadzorovati ali omejiti te reakcije za proizvodnjo električne energije?

V: Kaj je bilo doslej uspešno na področju jedrske fuzije?

Išči po črki