Fizičari već više od 60 godina sanjaju o komercijalno isplativoj fuziji koja za razliku od fisije ne bi zagađivala okoliš radioaktivnim materijalima, a imala bi jeftine i gotovo neiscrpne izvore goriva. Zbog velikih tehnoloških problema, ostvarenje ovog sna oduvijek se, iznova i iznova, čini kao nešto na što će trebati pričekati još dva do tri desetljeća.

No izgleda da su Nijemci upravo prekinuli ovu beskrajnu priču. Jučer su objavili senzacionalnu vijest da je testiranje eksperimentalnog reaktora Wendelstein 7-X, vrijednog 370 milijuna eura, bilo uspješno i potkrijepili je krasnim snimkama plazme koju su stvorili u njemu (slika dolje). U stvaranje reaktora uloženo je 19 godina rada, odnosno 1,1 milijuna radnih sati.

W7-X je najnapredniji model fuzijskog reaktora tipa stelaratora (nazvan je po zvijezdama u kojima se prirodno odvija fuzija) koji su bili popularni sredinom 20. stoljeća. Na nesreću zbog toga što su imali problema s kontroliranjem goriva, ubrzo su ih potisnuli reaktori tipa tokamak koji su se nastavili razvijati sve do danas. Najveći fuzijski reaktor na svijetu ITER, koji u Francuskoj gradi cijeli niz država od Kine i Japana do SAD-a i EU-a, temelji se na reaktoru tipa tokamak.

Međutim, s razvojem superračunala, znanstvenici su posljednjih godina uspjeli riješiti ključne konstrukcijske probleme stelaratora pa su oni ponovno postali zanimljivi jer imaju nekoliko važnih prednosti pred tokamakom – trebali bi moći kontinuirano, bez prekida, održavati plazmu u stanju potrebnom za fuziju pa bi imali mnogo veću efikasnost od tokamaka koji to ne mogu, a također mogu biti manji i jeftiniji pa će ih biti lakše graditi i komercijalno koristiti na lokalnim razinama.

Kako fuzija stvara energiju?

Nuklearna energija temelji se na tzv. snažnoj sili koja povezuje protone i neutrone u jezgri. Ona je vrlo moćna, mnogo moćnija od elektromagnetske sile, odnosno energije koja se oslobađa u kemijskim reakcijama kao što je sagorijevanje fosilnih goriva. No za razliku od elektromagnetske, djeluje samo na ekstremno malim udaljenostima. Zbog toga je za pokretanje fuzije neophodno neutrone i protone snažno sabiti kako bi se savladale elektromagnetske odbojne sile koje vladaju među česticama istih naboja kao što su protoni. U fuziji lakih elemenata, primjerice deuterija s tricijem (deuterij je izotop vodika koji za razliku od uobičajenog vodika uz proton ima i jedan neutron, a tricij je izotop s dva neutrona), dobivaju se teži elementi i pritom se oslobađa velika energija. Jednostavno govoreći ukupan zbroj masa svih elemenata nastalih u fuziji nešto je manji od zbroja masa elemenata koji su ušli u nju, a razlika je energija. Naime poznato je da su masa i energija ekvivalenti što je pokazao Albert Einstein svojom formulom E=mc^2. Za pokretanje fuzije također je važno da plin bude u stanju plazme, odnosno da njegovi atomi budu lišeni elektrona kako bi se lakše približili (elektroni u orbitalama čine da se atomi međusobno odbijaju). To se postiže zagrijavanjem plina na vrlo visoke temperature. Ova dva uvjeta potrebna za fuziju, visok tlak i visoke temperature, prirodno postoje u zvijezdama (u njima tlak stvara gravitacija, a visoke temperature sama fuzija). Također ih je relativno lako postići u hidrogenskim bombama u kojima se fuzija pokreće kratkotrajno, a nema potrebe za kontrolom jer je cilj destrukcija. No stvar postaje jako komplicirana kada se oni pokušaju ostvariti u kontroliranim, komercijalno isplativim uvjetima u reaktoru. Naime, vreli materijali, zagrijani na temperature od preko 100 milijuna stupnjeva Celzijusovih, ne smiju dodirnuti stijenke reaktora jer će ih u protivnom odmah oštetiti ili čak probiti. Stoga se vruća plazma u reaktorima mora držati na sigurnoj udaljenosti od njih. To se može učiniti elektromagnetskim poljima jer se plazma sastoji od mješavine pozitivno nabijenih jezgara i negativno nabijenih elektrona. Ona se stvaraju u golemim zavojnicama kroz koje teče struja. Zavojnice su rashlađene na temperature blizu apsolutne nule kako bi provodile vrlo jake struje bez otpora, a omotane su oko reaktora koji imaju oblik torusa, nalik na američke krafne.

Fuzijski reaktori, kako stelaratori, tako i tokamaci, potpuno su sigurni jer se nuklearna reakcija ne bi mogla nastaviti čak ni kada bi došlo do oštećenja reaktora. Naime, tada bi odmah prestali postojati potrebni uvjeti za nju. Fuzija nije lančana reakcija pa u njoj neće moći doći to havarija s taljenjem jezgre reaktora. Također, ukupna količina fuzijskog goriva u reaktoru uvijek će biti vrlo malena. Svaki prekid funkcioniranja reaktora prekinut će dostavu goriva te će se plazma odmah ohladiti. Osim toga, u reakcijama ne nastaju dugoživući radioaktivni elementi koji bi mogli predstavljati opasnost za okoliš.

Da bi fuzija bila komercijalno isplativa, potrebno je osigurati da će količina energije stvorene u njoj premašivati energiju utrošenu na zagrijavanje plazme i stvaranje golemog tlaka. Do sada to nije uspjelo niti jednom reaktoru. Očekuje se da će to uspjeti ITER, koji bi trebao biti dovršen do 2019.

Prednost stelaratora W7-X

Tokamaci imaju jedan važan nedostatak koji W7-X ne bi trebao imati - oni mogu kontrolirati plazmu samo u kratkim intervalima od po nekoliko minuta. Rekord od 6 i pol minuta trenutno drži francuski tokamak 'Tore Supra'. Kratko održavanje procesa fuzije jedan je od važnih razloga zbog kojih je za sada energija koja se ulaže u proces veća od one koja se dobiva kao rezultat.

W7-X trebao bi bez problema održavati plazmu na okupu kontinuirano, a za početak najmanje 30 minuta. To podrazumijeva dugo trajanje fuzije, a time i veću proizvodnju energije. Ključ ove prednosti stelaratora je u njihovu dizajnu. Naime, na ione plazme u kružnoj cijevi reaktora djeluju magnetske sile čije su silnice gušće raspoređene u unutrašnjem dijelu cijevi koji ima manji polumjer, a rjeđe u vanjskom dijelu koji ima veći polumjer (pogledajte sliku dolje). Zbog takve nejednake razdiobe sila, ioni će imati sklonost da se raspršuju i skreću prema vanjskim stijenkama. Kao što smo već rekli, kontakt vrele plazme i stijenki nikako se ne smije dozvoliti. Tokamak taj problem rješava dodatnim magnetskim poljem, no unatoč njemu uvjeti za fuziju ne mogu se održavati neprekidno već u kraćim intervalima. Stelarator problem rješava složenim dizajnom, odnosno neobičnom geometrijom koja omogućuje da čestice plazme tijekom svojeg kretanja kroz reaktor uvijek prolaze kroz područja na kojima će na njih djelovati iste sile.

Prvi uspjeh i sljedeći korak

U prvom, probnom paljenju njemački su znanstvenici koristili plazmu helija, a ne vodika. Jedan od razloga je taj što je od helija lakše napraviti plazmu. Zagrijali su je na oko milijun stupnjeva u trajanju od jedne desetinke sekunde.

'Sve je prošlo u skladu s planovima', rekao je dr. Hans-Stephan Bosch, voditelj tima odgovornog za rad W7-X.

'Sljedeći zadatak bit će produženje trajanja stanja plazme te istraživanje najboljih tehnika zagrijavanja helija mikrovalovima. Nakon prekida za Novu godinu, u siječnju će se nastaviti testiranja kojima ćemo se pripremiti za stvaranje vodikove plazme', dodao je.