Njemački znanstvenici postigli su značajan korak naprijed u razvoju nuklearne fuzije ovog četvrtka, nakon što su uspostavili stabilni tok plazme u Wendelstein 7-X fuzionom reaktoru Instituta Max Planck
Stabilna fuziona reakcija već se nekoliko desetljeća smatra ‘svetim gralom’ energetike, jer obećava mogućnost jeftine i čiste energije, koja ne zahtjeva fosilna goriva i ne stvara radioaktivni otpad.
Izgradnja Wendelstein 7-X reaktora trajala je 19 godina i stajala čak 1 milijardu eura (Foto: YouTube/Science)
Većina eksperimenata i pokušaja uspostavljanja kontrolirane fuzione reakcije oslanjala se na tehnologiju takozvanih ‘tokamaka’ - reaktora u obliku uštipaka unutar kojih snažni elektromagneti levitiraju plazmu usijanu na 100 milijuna Kelvina, kako ne bi došla u kontakt sa stjenkama reaktora.
No, problem tokamaka je održavanje reakcije - iako se koriste tri seta magneta, čestice plazme nakon određenog vremena počnu bježati prema stjenkama i reaktor se mora ugasiti. Dosadašnji rekord u duljini reakcije držao je francuski reaktor Tora Supra koji je održao fuziju šest minuta i 30 sekundi.
'Klasični' tokamak - oblika uštipka s magnetima u obliku prstenja oko glavnog torusa (Foto: Institut Max Planck / CC)
Wendelstein 7-X, s druge strane, predstavnik je ‘stelarator’ dizajna, koji bi, barem na papiru, mogao trajno održavati reakciju. Stelaratori su teoretski osmišljeni još 50-ih godina prošlog stoljeća, no izračuni potrebni za projektiranje bili su presloženi da bi takav reaktor bio izvediv.
- To je jedino bilo moguće učiniti uz pomoć računala, objasnio je Thomas Klinger, voditelj projekta.
Prednost stelaratora u odnosu na tokamake leži u posebno dizajniranoj komori za plazmu, koja koristi uvijene oblike i nepravilne magnete kako bi plazmu držala u obliku višestruko izvijene trake.
Projekt izgradnje Wendelsteina počeo je prije 19 godina, a izgradnja 2005. godine. Ukupna vrijednost reaktora procjenjuje se na milijardu eura, a njegov značaj po razvoj fuzije tek treba procijeniti.
Uspostava stabilnog toka plazme dokaz je da je inžinjerski dio posla odrađen bez pogreške, te da će, ako se računalne simulacije pokažu točnim, već sljedeće godine moći pokrenuti i fuzijsku reakciju.
Oblik plazme u stelerator reaktorima - izgleda poput višestruko izvrnute trake (Foto: YouTube/Science)
Klinger i njegov tim očekuju da će Wendelstein uspjeti održati reakciju fuzije u trajanju od barem 30 minuta, no nadaju se da će reakcija ostati stabilna i duže, možda čak i neodređeno dugo vremena.
Koliko god je napredan i tehnički zahtjevan, Wendelstein 7-X ipak neće proizvoditi energiju za komercijalne potrebe - njegova glavna svrha je testiranje novog dizajna koji obećaje veću učinkovitost i stabilnost od postojećih tokamak reaktora.
Po tome se, doduše, ne razlikuje mnogo od dosadašnjih reaktora koji su redovito trošili više energije na zagrijavanje plazme i održavanje magnetnog polja nego što bi proizveli fuzijom. No, unutar sljedećeg desetljeća to bi se moglo promijeniti.
U tijeku je izgradnja ITER megareaktora u Francuskoj, temeljenog na tokamak dizajnu, prvi fuzioni reaktor koji bi trebao proizvoditi više energije nego što troši. Nakon završetka izgradnje, iza 2020. godine, planira se izgradnja prve demonstracijske fuzijske elektrane. Iako se za sada još planira da će i taj reaktor biti tokamak, čekaju se i prvi rezultati Wendelsteina, koji bi se mogao pokazati kao bolji uzor od ITER-a.
3-D model Wendelsteina, na kojem se može vidjeti oblik trake od plazme unutar reaktora. (Foto: YouTube/Science)
U procesu nuklearne fuzije - koji se odvija unutar svih zvijezda - dva lakša elementa poput vodika spajaju se u teži, poput helija. Kako je jedan atom helija nešto lakši od dva atoma vodika, razlika u masi pretvara se u energiju, prema slavnoj Einsteinovoj jednadžbi E=mc2. Iako je razlika u masi minorna, čak i vrlo malo mase postaje jako mnogo energije. Za razliku od nuklearne fizije, koja proizvodi i štetno radioaktivno zračenje, fuziona reakcija proizvodi većinu energije u obliku topline.