Ovih dana i mjeseci u medijima osvanjuju vijesti o ohrabrujućem napretku istraživanja o korištenju fuzijske energije. Spominje se kolaboracija Europske unije s najvećim svjetskim tehnološkim silama koja na jugu Francuske u Cadaracheu gradi eksperimentalni fuzijski reaktor ITER. Iz te vijesti pretekla je vijest da je poslije 19 godina gradnje u Max Planckovu Institutu za fiziku plazme iz Greiswalda sagrađen kompaktni i navodno jako perspektivan ekonomični fuzijski reaktor Wendelstein 7-X, a američki tehnološki div Lockheed Martin objavio je da je njegov razvojni odjel Skunk Works dovršio kompaktni fuzijski reaktor veličine kamiona! Čini se da nam je upravo osvanula budućnost te kao da čak na izbor imamo male, srednje i velike neopasne reaktore za praktično neograničene količine jeftine energije! No, je li baš vrijeme da skačemo od veselja i što će se iz svih tih vijesti, i kada, odraziti na naše živote?
Znamo: sve su osnovne čestice materije zapravo zarobljena energija. I ona se u načelu seljaka malo tamo (u materiju), malo natrag (u energiju). Na tom joj se putu, prema Einsteinovoj jednadžbi E=M•C2, ispriječilo ubrzanje od brzine svjetlosti na drugu potenciju. E, ta je praktično beskrajna prepreka pred fizičarima kojima je ultimativni cilj da proizvoljno i kontrolirano transformiraju, a prema potrebi čovječanstva uglavnom u smjeru materija->energija.
Sve ostalo su koraci prema tom ultimativnom otključavanju upravljanjem postojanja svega.
Malo tko je i danas svjestan da je i prvo čovjekovo autonomno energetsko otkriće, vatra, zapravo oblik »nuklearne« energije. Vatra, kao plazma tj. ionizirani plin, pa čak i svjetlost, proces u kojemu se oslobađaju fotoni – kako iz vatre tako i iz drugih svakodnevnih procesa – zapravo su nuklearni procesi koje samo konvencije radi zovemo kemijskim. Kao i procese koji se događaju izgaranjem benzina u automobilskom motoru. Elektrane i električnu energiju da i ne spominjemo. Onako kako je materija svuda oko nas, isto tako je i energija. A vječna je čovjekova težnja da je ukroti i prenamijeni za svoje svrhe, od vatre u spilji do raketnih motora.
S obratom takvog pogleda možemo i današnje konvencionalne nuklearne elektrane gledati kao na termoelektrane u kojima se umjesto ugljena, mazuta ili plina, »lože« uranijeve šipke koje proizvode toplinu, a tako generirana para pokreće turbine i generatore struje. Toplina se u njima dobije tako da se dozira lančana reakcija u kojoj ubrzavanjem jednog sporog neutrona, kojega zrači uranij-235, proguta drugi takav atom i prometne ga u nestabilan izotop uranij-236, a ovaj se ubrzo raspadne barij-141 i kripton-92 uz ispuštanje triju brzih neutrona uz gotovo neshvatljivo veliku količinu toplinske energije. Tako se barem govorilo do sredine pedesetih godina. Doista, iz kilograma uranija na taj se način može izvući energija ravnu energiji spaljivanja 1300 tona ugljena ili 1350 tona nafte. Danas to i nije neki neprispodobiv učinak. Želimo više i znamo da se može dobiti znatno više! Jedino još nismo sigurni kako da taj postupak postane ekonomičan. Ili nam novi znanstveni proboji možda sugeriraju da “samo-što-nismo” na pragu nove energetske epohe čovječanstva?
SVI SMO SAZDANI OD ZVIJEZDA
Uostalom, atomi svih elemenata težih od vodika mogu se promatrati kao, za današnje prilike, odlično uskladištena energija. Svi elementi od kojih je sazdan svijet oko nas nastali su u fuzijskim pećima zvijezda koje su u jednom trenutku eksplodirale kao supernova i svu su tu golemu energiju upakirale u jezgre atoma poput kisika, vodika, dušika, ugljika i težih elemenata od kojih je sazdan život kakav poznajemo. Cijeli ovaj uvod je zapravo da naznačimo da je upravo atomska fuzija, ona najjednostavnija, neeksplozivna, iz vodika u helij, onakva kakva se prirodno događa u jezgrama sunaca, sljedeći energetski korak čovječanstva. Dakako, prag postizanja procesa sličnoga u jezgrama zvijezda, dosad je bio previsok da bi se fuzija, kao izvor energije za čovječanstvo, mogla konstruktivno koristiti. Fuzijom se, uostalom kao i fisijom, ponajprije ovladalo da bi se oslobođena energija koristila destruktivno. Kao fisijske ili fuzijske bombe.
Svi dosad poznati, rašireni oblici energije koje čovječanstvo koristi, imaju svoje nezgodne popratne pojave. Vatra može izazvati požar, izgaranje fosilnih goriva poput ugljena, nafte i plina, imaju lošu popratnu pojavu kao što je ispuštanje ugljikova dioksida, plina koji u atmosferi djeluje poput staklenika: prekomjerno zagrijava ono ispod njegova svoda. Konvencionalna nuklearna energija, ma koliko vam trubili da je »čista«, ima jedan veliki nedostatak, a to nisu rizici na koje se uobičajeno pomišlja. Radijacijama u nesrećama upropašteno područje, poput poznatoga oko Černobilja ili u Fukushimi, ili još žešće, stravičnije zagađena područja poput Majaka u Rusiji ili područje oko grada Hanforda u SAD-u o kojima se ne govori, manji su problem čovječanstva u koje spada i enormno skup problem odlaganja srednje i niskoradioaktivnog otpada. Problem je visokoradioaktivni “otpad”. Istrošeno »gorivo« fisijskih elektrana je zapravo sirovina za proizvodnju plutonija, koji se »skladišti« u vrhovima nuklearnih bojevih glava. Pacifisti su uvjereni da je upravo proliferacije fisijskih elektrana bila zapravo sam smisao proizvodnje tog nuklearnog »otpada«. Kad tome ne bi bilo tako, nitko se ne bi uzrujavao nad time što Iran želi samostalno izgraditi »miroljubivu« nuklearnu elektranu. Nitko se i ne bi uzrujavao kad bi Iran pristao da je gradi po nekoj od postojećih licencija: kineskoj, francuskoj, kanadskoj, ruskoj, indijskoj, američkoj. Te zemlje daju »nuklearno gorivo« i »zbrinjavaju« visokoradioaktivni »otpad« na već opisani i manje-više kontrolirani način.
DAKLE, FUZIJA!
Velike se nade, dakle, polažu u nuklearnu fuziju. Taj nuklearni proces spajanja atomskih jezgri lakših elemenata u atome težih koristi benigne elemente kao sirovinu, a gotovo jednako su bezazleni i produkti fuzije, osim što se oslobađa tri do četiri puta više energije. Fisija se - osim u nekoliko bizarnih primjera - ne događa u prirodi, a jednostavna je za postići. I dozirati. O inženjerskoj sigurnosti takvih postrojenja ovaj put ne bismo. Fuzija se, za razliku od fisije, rutinski odvija u svemiru. Atomi vodika, sazdani od jednog protona i jednog elektrona, u svemirskom se prostranstvu međusobno polako gravitacijski privlače, a kada se na jednoj gomili okupi kritična masa toga materijala koja gravitacijom (kao slabom silom) počne nadvladavati mnogo snažniju unutarnju (jaku) silu koja na okupu u jezgri atoma drži da se ne razlete pozitivno nabijeni protoni, tada nastaje fuzija. Jezgre se spajaju a isijava se energija. Tako nastaju zvijezde, a tako je nastalo pa i nadalje funkcionira naše Sunce. Jupiter, eto, nije nakupio dovoljno mase da bi postao zvijezda, pa je ostao planet. Male zvijezde kao što su crveni patuljci, znaju biti tek za trećinu veće od Jupitera.
Tehnološka je nevolja za proizvodnju fuzijske energije što u reaktorima valja stvoriti »nemoguće« fizikalne uvjete kao u središtu zvijezda. Nije baš doslovno nemoguće. Naprotiv, prvu fuziju u laboratorijskim uvjetima, na temelju ideje Andreja Saharova, počeo je institut Kurčatov u Moskvi 1956. godine. Na tom prvom funkcionalnom tokamaku uspjelo se krajem šezdesetih godina dokazati da su svi izračuni bili točni i da je proizvedena atomska fuzija, kao i njeni produkti među kojima i energija.
Ali od uređaja koji dokazuje teorijsku hipotezu do uređaja koji proizvodi energiju za distribuciju u električnoj mreži još je dalek put. Možda čak i ne znamo je li to 30, 50 ili 100 godina. A možda i mnogo manje.
ITER I TOKAMAK
Saharovljeva ideja za tokamak općenito je prihvaćena u znanstvenom svijetu kao metoda proučavanja fuzije. Štoviše, to je i temelj gradnje prvog eksperimentalnog tokamaka kojega s namjerom da postane »nacrt« postrojenja za komercijalno korištenje u Francuskoj gradi 35 zemalja. Među svih 28 zemalja Europske unije i Hrvatska, a projektu su se ravnopravno pridružili Indija, Japan, Kina Rusija, Južna Koreja, Švicarska i SAD. Suradnju na projektu su još 1985. godine dogovorili sovjetski predsjednik Gorbačov i američki predsjednik Reagan. To kažemo tek toliko da se bolje razumije mukotrpan postupak tog međunarodnog pokusnog postrojenja vrijednoga deset milijardi eura. Koordinator hrvatskog tima koji sudjeluje u eksperimentu je dr. Tonči Tadić s Instituta »Ruđer Bošković«.
Tehnološka osnova tokamaka pa i ITER-a je torus, šuplja cijev okovana magnetima. U njoj u magnetnom polju u vakuumu lebdi na 150 milijuna stupnjeva Celzijusa (deset puta većoj nego u jezgri Sunca!) energizirana plazma, svojevrsna »plamena juha« od protona, neutrona i elektrona. Kako se u lebdeću plazmu ulaže energija spajaju se protoni u jezgre koje privlače elektrone te time postaju atomi helija koji »padaju« na dno tokamaka, a oslobođeni ga neutroni zagrijavaju. Proizvod su, baš kao u jezgri Sunca, helij i energija, toplina. U ITER-u bi na 50 megavata uložene energije trebalo biti proizvedeno 500 megavata korisne energije. Otprilike onoliko koliko iznosi hrvatska polovina kapaciteta zajedničke fisijske nuklearke u Krškom. Prema planovima ITER bi trebao biti dovršen do 2022. godine, a samogoruća fuzijska plazma očekivane bi rezultate trebala dati 2027. godine. Prva prava fuzijska elektrana, nastala na iskustvu ITER-a, zvat će se DEMO i s instaliranom predviđenom snagom od 2,5 gigavata trebala bi biti dovršena 2035. godine.
Valja sačekati 2035. godinu da se zna je li ovaj koncept po kojemu će se ubuduće graditi fuzijske elektrane svagdje u svijetu. Ili možda nije?
WENDELSTEIN 7-X JE BOLJE RJEŠENJE?
Nije loše da se zna kako je Wendelstein ime planine u Bavarskoj, a upravo ime toga tipa navješta da se istraživanje oslanja na prethodno istraživanje na Sveučilištu Princeton, koji se vodio pod imenom Projekt Matterhorn. Od klasičnoga tokamaka uređaj nazvan stelator razlikuje se po konfiguraciji 50 supraporovdljivih magneta koji u torusu upravljaju plazmom. Vatreni prsten plazme magneti, umjesto linearno, drže usukanu poput Moebiusove vrpce.
Tomu je razlog zazor od mogućnosti da lebdeća energijom nabijena vrela plazma (na 100 milijuna stupnjeva Celzijusove ljestvice) dotakne stjenke unutrašnjosti torusa. Takva bi greška prouzročila golemu štetu i program unazadila mjesecima ili čak godinama.
Uređaj vrijedan 350 milijuna eura projektiran je deset, a građen potom sljedećih devet godina. Pokrenut je i u njemu su obavljeni prvi oprezni pokusi, ali se zasad ne eksperimentira ni s vodikom, a kamo li da se proizvodi energija. Ubrizgavaju se plinovi poput helija (samo jedan miligram!) čijim je zagrijavanjem moguće mnogo lakše postići kontroliranu plazmu. S vodikom će pokusi početi 2016. godine. Eksperimenti tek trebaju pokazati koliko je ovo rješenje u praksi doista bolje od klasičnog tokamaka.
REAKTOR VISOKE BETA FUZIJE IZ LOCKHEED MARTINA
Lockheed Martin je prvi put o svom kompaktnom reaktoru u javnosti progovorio na Googleovoj konferenciji »Solve for X« u veljači 2013. godine. Do ove jeseni koncept izložen prije dvije godine doimao se kao samo jedan od neostvarivih tehnoloških snova. Lanjskoga listopada Lockheed Martin je najavio da grade kompaktni fuzijski reaktor koji stane u traktorski sanduk, velik poput prosječnog avionskog motora, a proizvest će snagu od 100 megavata, energiju kojom bi mogao opskrbljivati grad od 80 tisuća stanovnika. Glavni projektant toga reaktora je Thomas McGuire koji je na MIT-u doktorirao na fuzijskim postrojenjima. Fuzijske uređaje proučavao je još kao dodiplomac motiviran željom Nase da se za međuplanetarna putovanja koristi fuzijski pogon, a koji bi usput uz minimalan teret goriva davao i energiju za sve ostale sustave uključujući i sustave za održavanje života astronauta.
McGuireov sustav plazmu ne drži u torusu, nego u komori koji lebdeću plazmu održavaju u obliku dvaju stožaca uz pomoć dvaju zrcaličnih supraprovodljivih magneta i uređaja koji im »zašiljuju« vrhove. To rješenje, prema tvrdnjama istraživača iz Skunk Worksa, zahtijeva tek desetinu energije uložene u magnete da bi se dobila energija plazme kakva se postiže u torusima. Pritom je glavna reaktorska posuda prototipa u obliku lubenice promjera jedan i dužine dva metra, ali bi za pet godina dovršeno energetsko postrojenje bilo teško između 300 i 1000 tona.
Tvrdnje iz Lockheed Martina mogle bi u građanstvu probuditi neopravdane nade, iako naprava nije podesna za svemirska putovanja, unatoč tome što bi njegova serijska proizvodnja mogla energetski vrlo brzo osigurati svu zamislivu potrebnu energiju za gradove u SAD-u, a posebno za izolirane i otočke zajednice. Ništa od toga. Svoje fuzijske uređaje Lockheed Martin već danas ciljano nudi za pokretanje ratnih brodova, sve do nosača aviona. Cijena, naravno, prava sitnica.
KAKVA JE BUDUĆNOST, DOISTA?
Na primjeru posve transparentno razvijanog ITER-a, pa i Wendelsteina koji kao da je u tih 19 godina nastajao “ispod radara” pa sad njegovo pokretanje djeluje kao senzacija, vidi se da je fuzijska tehnologija još u povojima. Slično je i s pucanjem u od kapljice teške vode baterijom najsnažnijih lasera na svijetu u američkom National Ignition Laboratory, kojega nismo potanje opisivali. Situacija je otprilike slična kao u vrijeme kad su nastale prve Tesline i Edisonove elektrane, za koje se nije znalo koji je koncept bolji, posebno zahvaljujući navlačenju u korist, inženjerski gledano, posve jasno neperspektivnih Edisonovih istosmjernih dinama u odnosu na Tesline alternatore. Najrazumnija i najbolja koncepcija mora se izdvojiti i postati prihvaćena.
Potom će se takvim elektranama najprije opremiti najbogatiji. Ne znamo hoće li fuzijske elektrane biti i za nas opipljiva stvarnost niti za pola stoljeća. Istina je, razvojne peripetije u stvarnoj znanosti proizvode silno uzbudljive priče, pa ih s uobičajenim nerazumijevanjem, i uz nerazumno uzbuđenje, prenose i postojeći mediji. Dovoljno je vidjeti kako su tadašnji mediji opisivali prve parne željeznice, prve elektrane (u nekim se našim krajevima i danas kaže »dobili smo svjetlo« za to da je do njih dovedena struja), prve automobile na cestama koji su se pomiješali sa zapregama, prva elektronička računala koje smo dugo zvali »elektronskim mozgovima« i slične tehnološke novotarije o kojima se redovito poslao u člancima i s naslovima po kojima su urednici prosuli mnogo uskličnika.
Posebno su mediji prosipali neopravdano oduševljenje za razne koncepte hladne fuzije, ili fuzije na stolu. Mediji su ih puni, s vrlo optimističnim najavama o patentima, uspješnom radu u hvalevrijednim razdobljima, pa je tako i ove godine. Na žalost, o ITER-u se malo piše, Wendelstein je senzacija dana, a kompaktni fuzijski uređaj iz Lockheed Martina još malo tko zamjećuje. Većina je tih euforičnih objava završila bez onoga što se u novinarstvu zove follow-up: odgovorom na pitanje »Što je bilo poslije?«. Neuspjesi, jel’te, pogotovo ako se događaju u serijama kao što su sve vijesti o perpetuum mobileu, nisu osobito velik kompliment samome mediju.
Zato i za ove, čini se ozbiljne proboje prema mogućoj energetičkoj budućnosti valja »potegnuti ručnu« i vidjeti barem kako stvari doista stoje. Ozbiljna, učinkovita modena znanost je teška, krivudava i prepuna neuspjeha, ali ipak neprekidno napreduje.
HOĆE LI FUZIJSKA ENERGIJA SPRIJEČITI GLOBALNO ZATOPLJIVANJE?
Neće. Kad fuzijska energija bude dostupna i kad bude mogla odmijeniti glavninu današnjih energetskih izvora temeljenih na oslobađanju ugljikova dioksida koji je polagan u ugljikovodike kroz milijune godina, a oslobađa se u našim desetljećima, bit će kasno nastavi li se kao do sada. Sporazum o smanjivanju ispuštanja ugljikova dioksida, postignut u Parizu i slavodobitno objavljen 12. prosinca, u ovome trenutku još nije podrobno analiziran da bi se moglo reći je li i on zapravo propao, je li možda iznađeno kompromisno rješenje dovoljno efikasno da nas zaustavi na rubu pada u ponor klimatske katastrofe ili je to samo još jedan neefikasni dogovor političara.
Što je, onda rješenje? Jedino je održivo rješenje raspolagati onime što mamo: sunčevom energijom i energijom koja se izravni rezultat sunčeva »grijanja« našega planeta. Naš se planet oblijeva energijom s naše zvijezde kojom bi se mogle više tisuća puta zadovoljiti sve sadašnje zamislive potrebe čovječanstva. Zamislite da živite od jednog hektara zemlje, da vam tih deset tisuća četvornih metara daje sve što vam treba. Hranu, odjeću, energiju za vaše strojeve, rasvjetu. Trebali biste uloviti samo energiju koja završi na vaših deset četvornih metara. Ne govorimo samo o fotonaponskim kolektorima, iako ne bi bilo loše da su vam krovovi njima potaracani, pa i sva mjesta, trjemovi, parkirališta i garaže. Nisu za odbaciti ni toplinski kolektori, a još manje mali agregati na potocima kakvi npr. strujom opskrbljuju mala i zabačena naselja u švicarskim brdima. Uskoro će biti dostupne i baterije za domaćinstva koje će pričuvati struju prikupljenu danju za korištenje noću, prikupljenu ljeti za korištenje zimi. Oni u nas koji grade svoje vlastite kuće obično – kako se kaže »kad već grade« – priušćuju si nerijetko previše kvadrata koje je teško grijati zimi i rashlađivati ljeti. U kojima se mora štedljivo trošiti struja i plin zbog enormnih računa… umjesto da si grade po mjeri i ulažu u vlastitu energetsku autonomiju.
A na vidiku je, u daljnjoj budućnosti, sasvim drugi problem s fuzijskim elektranama. On će biti zajednički i ako se jednoga dana solarna energija na Zemlju bude »u neograničenim količinama« dobavljala golemim kolektorima iz orbite koji će ujedno Zemljinu atmosferu svojom sjenom unekoliko i hladiti, pogotovo u ekvatorijalnoj putanji. Naime, zaboravlja se najvažnije: danas je ugljikov dioksid gorući problem jer on poput već spomenutog staklenika sprečava da se višak energije iz atmosfere i sa Zemlje isija natrag u svemir. Pa nam se atmosfera (a i oceani, čije je zagrijavanje puno zlokobnije i manje popravljivo od pregrijavanja atmosfere) zagrijava i uništava život kakav poznajemo. Navika čovječanstva na neograničeni rast i potrošnju svega dostupnoga mogla bi i od čiste fuzijske energije (kao i od energije iz orbite, ma koliko bila solarna) napraviti previše narasloga monstruma kojega ne možemo obuzdati. Grijanje, hlađenje, ubrzanje i kočenje u promete, trenje… sva se iskorištena energija naposljetku pretvara u toplinsku, onu koju ostaje s nama. S takvim nerazumnim konceptom možda će se čovječanstvo u budućnosti za stotinjak godina kao romantičnoga sjećati kao sasvim lakoga problema s ugljikovim dioksidom.
