Do elektrike s fuzijo

V južni Provansi v bližini mesteca Vinon-sur-Verdon se nahaja velikansko gradbišče, kjer raste največji fuzijski reaktor. To je ITER (v latinščini pomeni pot, smer). Gre za največji znanstveno-inženirsko-politični projekt na svetu. Moči so združile največje in najmočnejše svetovne države: ZDA, Rusija, Evropska unija, Indija, Kitajska, Japonska in Južna Koreja, kar pomeni okoli 35 držav.

Cilj projekta je dokazati, da lahko na zemlji poustvarimo procese, ki potekajo na soncu in drugih zvezdah, to je nuklearno fuzijo (jedrsko zlivanje). In sicer bo glavni cilj projekta ITER proizvesti 500 MW fuzijske moči za nekaj minut ter testirati tehnologije za bodoče fuzijske elektrarne. Torej, na način, kako sonce dobiva energijo, bi jo tudi na zemlji. ITER je demonstracijski projekt, ki pa ima v nadaljevanju tudi industrijski cilj, to je fuzijsko elektrarno. To je še eden od korakov, kako bi se človeštvo lahko rešilo uničujočega vpliva fosilnih goriv.

Pri projektu sodelujejo Institut Jožef Štefan (IJS) ter tudi nekaj slovenskih podjetij, med njimi najaktivneje podjetje Cosylab. O projektu smo se pogovarjali s prof. dr. Lukom Snojem, vodjem odseka za reaktorsko fiziko na IJS ter učiteljem na Fakulteti za Matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.

Kako ste pravzaprav prišli do sodelovanja pri projektu ITER?

Začelo se je konec devetdesetih, pred 20 leti. Takrat je evropski fuzijski program že potekal, mi pa smo prišli zraven preko znanstvenih poznanstev. Kolegi so vedeli, kaj znamo delati, mi smo spoznali ljudi, ki so delali na teh projektih in videli so, da bi naše znanje lahko koristilo. Takrat smo dobili prve projekte. To so bili preračuni transporta nevtronov. Potem se je sodelovanje povečevalo. Leta 2005 smo ustanovili slovensko fuzijsko asociacijo, to je raziskovalna enota, ki združuje vse raziskovalce na področju fuzije v Sloveniji. Podobno so organizirani tudi v drugih evropskih državah. Vse fuzijske raziskave delegirajo v državni raziskovalni enoti, ki se potem prijavljajo na EU razpise za fuzijske raziskave. Kepa nas je ulovila in zdaj smo notri.

Kako bi razložili laiku, kaj je to fuzija? Recimo v primerjavi z jedrsko energijo.

Saj fuzija je jedrska energija. Poglejmo od kod dobivamo energijo. Ljudje dobivamo energijo za naše premikanje, razmišljanje in aktivnosti iz hrane. Od kod pride energija v hrano? Iz sonca, ker rastline opravijo fotosintezo. Podobno je s hidro energijo. Tudi ta pride iz sonca. Ko sonce sije na reke in jezera, ta voda izhlapeva, gre v hribe in dobi potencialno energijo ter kot reka teče dol, mi pa jo izkoriščamo. Podobno je z vetrom. Ta piha zaradi različne sončnosti zemeljskega površja, različnih tlakov, mi pa postavimo vetrnice in ga izkoriščamo. Sončni paneli direktno izkoriščajo energijo sonca, in sicer fotovoltaični paneli direktno pretvarjajo sončno svetlobo v elektriko. Kaj pa fosilna goriva, nafta, premog, zemeljski plin? To niso nič drugega kot neke vrste bio baterije, tam se je shranila energija, ki so jo pridobile živali in rastline pred več 100 milijoni let in to se je potem tekom let pritiskov in časa pretvorilo v fosilna goriva. Vse to so posledice sonca. Vsa energija razen klasične jedrske prihaja iz sonca. Potem se pa človek začne spraševati, kaj se dogaja na soncu in od kod sonce dobiva energijo? Preko zlivanja jeder vodika ozirom protonov. Pod vplivom visokih temperatur, to je 10 milijonov stopinj Celzija, pod vplivom visokih tlakov, se vodikova jedra združujejo. Protoni so pozitivno nabiti in se v osnovi odbijajo, ampak če dosežemo dovolj visoko temperaturo, lahko jedra premagajo ta odbojni potencial in pridejo skupaj ter se zlijejo. Pri tem nastane jedro helija, to je inerten plin. Sonce počasi ta vodik zliva, nastaja helij in to energijo seva v vesolje. Del te energije potem pade na zemljo in mi to izkoriščamo.

Tako se pojavi ideja, zakaj mi energijo iz sonca izkoriščam le posredno, zakaj ne bi tega kar na zemlji postavili? Izkaže se, da je zadeva tehnološko izjemno težko izvedljiva. Da se, je pa izjemno zahtevno.

Kakšna pa je razlika med fisijo oziroma cepitvijo, ki poteka v klasičnih jedrskih elektrarnah? To je v osnovi obraten proces. Če gledamo energijsko bilanco jeder, ugotovimo, da so jedra okoli železa najbolj stabilna oziroma najbolj vezana jedra. Tam se ne more sproščati energija. Do železa pa lahko pridemo ali s cepitvijo težkih jeder kot je jedro urana ali z zlivanjem lahkih jeder kot je jedro vodika. Na ta način pridobivamo energijo, to je znanstveno dejstvo. Cepitev težkih jeder z nevtroni in verižno reakcijo obvladamo, kar dokazuje okoli 450 jedrskih elektrarn na svetu, ki delujejo in proizvajajo zanesljivo in brezogljično elektriko. Zlivanja jeder pa smo osvojili šele pred kratkim . In sicer smo leta 1997 na skupnem evropskem tokamaku (Join European Tokamak oziroma JET) v Veliki Britaniji, kjer sem v letih 2010 in 2013 bil na podoktorskem usposabljanju. dosegli, da smo jedra vodika segreli na visoko temperaturo (100 milijonov stopinj), ga stisnili in dosegli 16 MW moči. Pokazali smo, da se to da narediti na zemlji. S stališča energetike je bil manjši problem, da smo za ustvaritev teh pogojev porabili 25 MW, kar pomeni, da smo več vložili kot smo dobili. Zato zdaj gradimo večje naprave, to je ITER.

Tokamak, JET, pojmi, ki so nam neznani.

Dejstvo je, če hočemo doseči, da jedra pridejo skupaj, moramo jedro pospešiti na visoko energijo. To pa v mikroskopskem svetu pomeni visoka temperatura. Mi moramo jedra segreti na 100 milijonov stopinj Celzija in to delamo v napravah obročaste oblike, ki jim pravimo tokamak. V njih z magneti zadržujemo vročo plazmo, to je vroč plin pri 100 milijonih Celzija na sredini obroča, kjer poteka jedrsko zlivanje oz. fuzija, ter na ta način preprečimo, da se vroča snov dotakne stene

Male naprave se hitreje ohlajajo in rabijo več energije, zaradi slabšega razmerja med površino in volumnom. Če imate krožnik juhe, se juha bistveno počasneje ohlaja, kot se na žlici. Podobno je pri Tokamakih, človek in JET, to je trenutno največji Tokamak, ki je zgrajen v Veliki Britaniji, a je preprosto premajhen in ima prevelike izgube. Zato porabimo več energije za segrevanje kot je pride ven. ITER, ki se gradi v Provansi v Franciji, bo bistveno večji in bo predvidoma proizvedel 10 x več energije, kot jo damo noter. Imel bo toplotno moč 500 MW, za segrevanje plazme pa bo šlo 50 MW.

Rekli ste, da je to eksperimentalni reaktor …

Ja, ne bo proizvajal elektrike, gre le za testiranje koncepta, ali lahko z večjo napravo dosežemo večjo moč in ali lahko to energijo ohranjamo nekaj časa. JET je obratoval 4 sekunde, pri ITRU bomo to podaljšali na približno 10 min in kasneje še več, proizvedli bomo 10 x več moči kot je bo potrebno za segrevanje plazme. Pri vseh teh procesih je še ogromno neznank. To je testna platforma za testiranje. ITER bo služil kot osnova za načrtovanje demonstracijske fuzijske elektrarne, DEMO. ITER je eksperiment, pokazal bo ali lahko fuzijo delamo na skali nekaj 100 MW, poleg tega pa se načrtuje tudi demonstracijska elektrarna, ki je predvidena v letu 2050. Ta pa bi že proizvajala elektriko. ITER je le koncept ali to sploh lahko deluje, DEMO pa bo elektrarna.

Ta električna energija pa ni obnovljiva.

Po trenutni definiciji verjetno ne, je pa vsekakor trajnosten energetski vir, kar pomeni, da je zalog goriva dovolj za nekaj milijonov let tudi, če današnjo porabo znatno povečamo. Pri fuziji sta gorivo devterij in tritij. Na soncu poteka zlivanje navadnega, t. i. lahkega vodika. Izkaže se, da je proces zlivanja vodika, ki poteka na soncu, na zemlji izjemno težko poustvariti, ker nimamo takega volumna in pritiskov, ki jih Sonce dosega z gravitacijo. Na zemlji najlažje dosežemo zlivanje med devterijem in tritijem in izotopoma vodika. V naravi poznamo navaden oziroma »lahki« vodik, ki ima en proton, poznamo težki vodik, to je devterij, ki ima en proton in en nevtron, in super težki vodik, ki je tritij. Devterij se v naravi nahaja v vodi, in sicer ga je približno 45 gramov na kubični meter vode. Voda pa pokriva dve tretjini zemeljskega površja. Ja, strinjam se, da to verjetno ni obnovljiv vir, je pa trajnostni vir in bo zadoščal za več milijonov let, kar bo zelo verjetno preseglo življenjsko dobo človeštva. Tritija pa v naravi ni in ga je treba pridobivati. Pri zlivanju devterija in tritija nastaneta nevtron in helij. Helij je žlahten plin, ki ga lahko koristno uporabimo. Nevtron pa uporabimo za proizvodnjo tritija, in sicer z nevtroni obsevamo litij, pri tem pa nastaja tritij.

Ali za industrijsko fazo to pomeni, da bomo imeli nuklearne in fuzijske elektrarne?

Če bomo prešli na nizkoogljično proizvodnjo električne energije, bomo potrebovali vse, kar je nizkoogljično, od hidroenergije, sonca, vetrnic ter seveda klasičnih fisijskih in fuzijskih elektrarn. Fuzijske elektrarne bodo ene v množici nizkoogljičnih elektrarn in tudi teh bo več vrst, tako kot je več vrst fisijskih.

Koliko je fuzija varna?

V klasični jedrski elektrarni vsakih 18 mesec menjamo gorivo. To je v NEK okoli 55 gorivnih elementov, kar je za približno tovornjak goriva, in tam je skoncentrirana ogromna količina energije. V sredici, ki meri približno 10 kubičnih metrov, je energije za leto in pol proizvodnje, kar pomeni 40 odstotkov slovenske proizvodnje elektrike. To je ogromna količina. Tam poteka verižna reakcija, ki jo uspešno nadziramo in moramo paziti, da nam ne uide izpod nadzora. Pri fuziji gorivo dodajamo v tokamak po kapljicah. Če gre kar koli narobe, ustavimo dotok goriva, podobno kot pri avtomobilu. Dodatna prednost je dejstvo, da je proces fuzije tako težko doseči. Namreč, potrebujemo visoke temperature, visok čas zadrževanja in visoko gostoto snovi. Če gre kar koli narobe, se reakcija sama od sebe zaustavi. To je varnostni mehanizem. Če eden od pogojev ni izpolnjen, na primer, če se temperatura zniža ali spremeni gostota plazme, se elektrarna zaustavi. Gre za inherentno varen proces in ni niti teoretične možnosti, da bi zadeva ušla izpod nadzora. Skupni s klasično jedrsko elektrarno pa so radioaktivni odpadki. Tako, kot pri drugih človeških dejavnostih, bodo tudi tukaj nastajali odpadki. Nevtron, ki nastane pri zlivanju devterija in tritija, bo povzročil, da bodo materiali tokamaka postali radioaktivni. Treba pa je povedati, da družba ima tehnologije za varno ravnanje z radioaktivnimi odpadki. Za razliko od klasičnih jedrskih elektrarn, v katerih imamo v gorivu določene elemente, to so transurani elementi, katerih razpadni časi so 10.000 let in več, bodo tukaj v fuziji s pravilno izbiro materialov le 100 ali 200 let. To pa pomeni, da ti materiali po tem času ne bodo več radioaktivni.

Kakšne naloge opravljate pri projektu? Kdo od slovenskih partnerjev sodeluje?

Glavna partnerja sta IJS in Univerza v Ljubljani, nekaj pa jih je še iz gospodarstva, recimo podjetje Cosylab. IJS sodeluje na več področjih. ITER je v tej fazi predvsem inženirski projekt, potekata predvsem gradnja, izdelava in montaža komponent, pozneje med obratovanjem pa bo zelo pomembna tudi znanstvena komponenta. Pri ITRU smo vpleteni v načrtovanje določenih sistemov, konkretno za proizvodnjo goriva litija, to je, kako iz litija in nevtronov dobiti tritij. Še več aktivnosti pa imamo na področju podpore ITRU. JET je trenutno največji tokamak. Trenutno se testirajo procesi, metodologije, ki bodo uporabne na ITRU. Eden večjih projektov je meritev moči reaktorja, ki se meri prek nevtronov. Na JET-u že desetletje izvajamo eksperimente, kako bi to moč čim bolj natančno izmerili.

Kaj pomeni to sodelovanje za IJS in Slovenijo?

To je ogromna čast in priložnost. Izdelava fuzijskega reaktorja na zemlji je trenutno eden najkompleksnejših in tehnološko najzahtevnejših projektov človeštva, tako s tehnološkega, inženirskega in s stališča vodenja. Začetki segajo v 80. leta, ko sta se srečala Gorbačov in Reagan ter se dogovorila o sodelovanju pri novem fuzijskem reaktorju. To bo nov vir energije, ki bo lahko korenito spremenil civilizacijo, kajti gorivo bomo pridobivali iz vode. ZDA in Rusija sta bila pobudnika projekta, pozneje so se pridružile še druge države. Trenutno so v ta projekt vpletene največje gospodarske države sveta: ZDA, Evropska unija, Rusija, Indija, Kitajska, Japonska in Južna Koreja. Dejansko gre za tehnološko najkompleksnejši projekt na svetu. Sodelovanje je prestižnega pomena, ogromno se naučiš, sodeluješ z najboljšimi podjetji, raziskovalnimi inštituti z vsega sveta. Projekt ima potencial spremeniti človeštvo na boljše z nikoogljičnim in praktično neomejenim virom energije. Zaradi vseh teh razlogov je sodelovanje izjemna čast in veselje.

Politika nima nobene vloge?

Seveda jo ima, a mi smo znanstveniki, ki se bolj ukvarjamo s tehnologijami in znanstvenimi odkritji. Projekt ima ogromno politično vlogo. ITERIITRA je dejansko tudi močen političen projekt, saj je uspel povezati vse partnerje, to so države, ki na zunanjem političnem parketu niso videti kot največji »kolegi«, tukaj pa zgledno sodelujejo. Ne gre brez prepiranja, ogromno je bitk za intelektualno lastnino, kdo bo kaj naredil, katere komponente itd. Posledično je vodenje tega projekta izjemno težavno. Poleg tehnološke zahtevnosti gre tukaj še za komponente, ki bodo prvič na svetu sploh zgrajene in dane skupaj iz različnih držav, zaradi česar je usklajevanje izjemno težavno. Projekt ima tudi politično noto, predvsem pa močno tehnološko-inženirsko-znanstveno noto.

Kakšni pa so zastavljeni roki?

Vsak projekt ima roke. So krajši in daljši. Eni so dvoletni, drugi tudi petletni, eni pa tudi krajši, tudi trimesečni. Eden takih je bil, ko smo testirali komponente za ITER. Iz njega bodo izhajali nevtroni in elektronske komponente. Tam bodo povezane z zajemom podatkov in krmiljenjem sistemov ter izpostavljene sevanju. Na reaktorju TRIGA na IJS smo te komponente testirali in določili, koliko sevanja zdržijo. Nato so šle naše komponente v ITER, da bodo vedeli, kam jih postaviti in na koliko časa zamenjati.
ITER ima že nekaj zamude. Za božič leta 2025 je napovedana prva faza, prvo obratovanje, prvo na veliki moči 500 MW pa je napovedano leta 2035. To so načrti, za katere ne vemo, kako jih bomo uresničili, ker je to naprava, ki je unikatna. Take človeštvo še ni videlo in potrebno bo kar nekaj časa, da se bomo naučili z njo upravljati.

Slišati je precej futuristično.

To je realnost. Je futuristično, a ne smemo pozabiti, da imamo JET, ki že uspešno obratuje. To je naprava, v kateri bodo poleg tehnološke zahtevnosti skupaj najvišje in najnižje temperature na zemlji, in to le nekaj metrov narazen. V centru, kjer se jedra zlivajo, bo 100 milijonov stopinj Celzija, dva do tri metre stran pa bodo super prevodni magneti hlajeni s tekočim helijem pri temperaturi 4 Kelvine oziroma minus 269 stopinj Celzija. To je znanstvena fantastika. Narediti vse to, da šest držav vsaka prispeva svoje komponente, in vse skupaj potem še sestaviti, to je eden večjih izzivov človeštva.