Kineski znanstvenici probili su Greenwaldov limit. To je ogromna vijest za cijeli svijet

Znanstvenici koji rade na projektu kineskog "umjetnog Sunca" izvijestili su probijanju tzv. Greenwaldovog limita koji je desetljećima ograničavao rad fuzijskih reaktora. Ovo postignuće, objavljeno u časopisu Science Advances, korak je naprijed u ovladavanju fuzijom, procesom koji se odvija na Suncu i ostalim zvijezdama.

Fuzija je proces spajanja jezgri lakih atomskih elemenata pri čemu se oslobađa golema količina energije. Reakcija kontrolirane fuzije oslobađa oko četiri milijuna puta više energije od izgaranja ugljena, nafte ili plina i četiri puta više od fisije koja se koristi u nuklearkama. K tome, nuklearna fuzija nudi potencijal gotovo neograničenog izvora energije bez emisija stakleničkih plinova ili mnogo nuklearnog otpada.

Tokamak EAST u Kini

Imago/imago Stock&people/profimedia/Imago/imago Stock&people/profimedia

Kinesko „umjetno Sunce”, odnosno Eksperimentalni napredni supervodljivi tokamak (EAST), nalazi se u gradu Hefei na istoku zemlje. Od početka rada 2006. godina, EAST je otvorena testna platforma za kineske i međunarodne znanstvenike kako bi provodili eksperimenata i istraživanja povezana s fuzijom.

Naizgled jednostavno

Riječ je o naizgled jednostavnoj reakciji. Primjerice, vodikovi izotopi deuterij i tricij se spajaju, a pritom nastaju helij i neutron. Kako bi se to dogodilo, gorivo mora biti u stanju plazme, tj. mora se ugrijati na više od 150 milijuna Celzijevih stupnjeva. Nadalje, kako bi došlo do spajanja jezgri, plazma dovoljne gustoće mora se držati dovoljno dugo bez dodira sa stijenkama posude u kojoj se nalazi. To se postiže uz pomoć jakih magnetskih polja u tzv. magnetskim bocama ili tokamacima koje su osmislili ruski fizičari Andrej Saharov i Igor Tamm na osnovi ideje Olega Lavrentijeva. Američki fizičar Martin Greenwald s Massachusetts Institute of technology (MIT) 1988. godine formulirao je zakon na kome se temelje strategije izgradnje tokamaka. Greenwaldov limit je maksimalni broj čestica plazme koji se može sabiti u tokamaku, uz stabilan rad bez proboja plazme.

Eksperiment koji će promijeniti svijet

Prošle godine kineski su znanstvenici objavili da su da je EAST održavao stabilnu plazme punih 1066 sekundi. To je više nego dvostruko bolje od prethodnog najboljeg rezultata toga reaktora od 403 sekundi. Sada su u studiji objavljenoj u časopisu izvijestili o pomicanju gustoće plazme iznad Greenwaldova limita. Tvrde kako su postigli 30 do 65 posto veće gustoće plazme od onih koje EAST normalno postiže. - Ovi rezultati su vrlo obećavajući i trebalo bi ih istražiti u drugim tokamacima – rekao je za Nature dr. Jeronimo Olaya, stručnjak za fuziju u Francuskoj komisiji za alternativne energije i atomsku energiju, koji nije sudjelovao u istraživanju.

Tonči Tadić

Neja Markicevic /Cropix

- Zašto je ova vijest iz Kine značajna? Zato što je jedan od ključnih uvjeta za dobivanje stabilne fuzijske reakcije tzv. ‘goruće plazme‘ postizanje čim veće gustoće plazme, odnosno njeno sabijanje pomoću magnetskog polja. Veća gustoća plazme naravno znači i veću snagu fuzijskog reaktora. Kruženje plazme unutar tokamaka i tako postignuta struja plazme stvaraju zasebno magnetsko polje koje dodatno komprimira plazmu. Greenwaldov limit je teorijska granica gustoće plazme koja se tako može postići, a jednak je omjeru struje plazme i kvadrata manjeg (tj. unutarnjeg) polumjera fuzijskog reaktora – tokamaka – rekao nam je dr. Tonči Tadić s Instituta Ruđer Bošković koji je voditelj hrvatskih fuzijskih aktivnosti te koordinator projektnog tima IFMIF-DONES.

- Povećanje gustoće plazme, tj. dodavanje fuzijskog goriva u tokamak iznad te granice često vodi na izboje plazme, slične protuberancama na Suncu, koji mogu oštetiti stijenke fuzijskog reaktora. Zanimljivo je da Greenwaldov limit daje tri do pet puta gušću plazmu u drugom tipu fuzijskih reaktora, u stelaratoru, u kojem se plazma ne giba u krug, već miruje, dok je čitava komora stelaratora oblikovana u obliku rotirajućeg svrdla. Mogući razlog za to je formiranje tzv. magnetskih otoka unutar stelaratora koji sabijaju plazmu na rubovima. Iako nemam detaljni uvid u ovaj rezultat kineskih kolega, to vjerojatno znači da su uspjeli s pomoću magnetskih polja i grijanjem plazme mikrovalovima postići veću gustoću plazme na rubovima tokamaka gdje se inače plazma hladi. Svi procesi u plazmi su još uvijek predmet istraživanja i otkrića. Uostalom čuveni H-mode na kojem se temelji konstrukcija ITER-a otkriven je u njemačkom tokamaku ASDEX posve slučajno 1994. godine – pojasnio je Tadić.

Ovo je kinesko ‘umjetno Sunce‘

Kina se 2006. godine priključila projektu ITER (Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor) na kojem su i EU, Japan, Južna Koreja, Indija, Rusija i SAD, ujedinjeni u zajedničkoj namjeri da na Zemlji stvore "mini Sunce", odnosno da proizvodnjom energije s pomoću fuzije riješe energetske probleme našeg planeta. Oko 22 milijarde eura vrijedan ITER najkompleksniji je stroj u povijesti civilizacije, a gradi se u francuskom nuklearnom istraživačkom centru Cadarache u Provansi.

Prvi eksperimenti u ITER-u trebali bi početi 2035. godine, a iza 2040. godine gradila bi se Demonstracijska fuzijska elektrana (DEMO). Hrvatska, uz Španjolsku, ima vodeću ulogu na fuzijskom projektu DONES što je uređaj nužan za testiranje otpornosti na zračenje svih materijala za DEMO. DONES se gradi u mjestu Escúzar, 20-ak kilometara udaljenom od Granade u Andaluziji. U postrojenju će fizičari ispitivati materijale potrebne za izgradnju prve fuzijske elektrane u EU-u. Istraživači se nadaju da ćemo imati komercijalnu električnu energiju iz fuzijskih elektrana imati u roku od nekoliko desetljeća.