Fuzijske elektrarne že čez 15 let?

Poznamo fisijske in fuzijske jedrske elektrarne. Zelo poenostavljeno je bistvo fisije oziroma jedrskega cepljenja v tem, da pri njem poteka jedrska reakcija, pri kateri težko atomsko jedro razpade na dve srednjetežki jedri, pri fuziji oziroma jedrskem zlivanju pa gre za zlivanje jeder lahkih atomov v težja jedra. Pri obeh reakcijah se sprošča velika količina toplotne energije, ki jo, če nam to uspe, pretvorimo v električno.

Vse jedrske elektrarne na svetu ta trenutek so fisijske, torej izkoriščajo toploto, ki se sprošča ob cepljenju atomskih jeder. Te elektrarne, kljub nekaj odmevnim tragičnim nesrečam, veljajo za zelo varne in ekonomične. In zakaj so varne? Razlago lahko najdete tej strani. A jedrske elektrarne lahko primerjamo z letalskim prometom - letenje je statistično resda daleč najvarnejši način potovanja, a ko se kaj zgodi, so posledice zelo hude. In enako je z jedrskimi elektrarnami – spomnimo se Černobila in Fukushime.

Kaj pa fuzija? Ta bi bila pravzaprav neprimerno bolj »naravna« kot je fisija. Zakaj? Zato, ker je fuzija dobesedno vir energije zvezd. Naše sonce oddaja svojo energijo zaradi fuzije, ki poteka v njegovem jedru. Težava fuzije je v tem, da poteka pri zelo visokih temperaturah in tlakih. S sodobno tehnologijo jih je sicer mogoče doseči, težava pa je v tem, da za to porabimo več energije kot je potem iz sistema dobimo. To pa je s stališča pridobivanja električne energije neuporabno. A znanstveniki univerze MIT in CFS (Commonwealth Fusion Systems) menijo, da so dokaj blizu rešitve in da bi lahko prvi delujoči reaktor, ki bi proizvajal več energije, kot je porabi, bil nared že v petnajstih letih. To pa je bistveno hitreje od dosedanjih napovedi, ki so govorile o vsaj petdesetih letih.

Teoretično fuzija poteka nekako takole (zelo poenostavljeno):  Ker so jedra atomov pozitivno nabita, se med seboj odbijajo (tako imenovana coulombske sile). Če hočemo jedri torej združiti, moramo to odbojno silo nekako premagati. To je mogoče tako, da jedri »zabijemo« eno v drugo z zelo veliko hitrostjo. Energija gibanja oziroma kinetična energija takšnih jeder mora biti med 10 in 100 keV, to pa je mogoče le pri zelo visokih temperaturah – med 10⁸ in 10⁹ K oziroma med 100 milijoni in milijardo stopinj Celzija. Pri taki temperaturi vsaka snov preide v stanje ioniziranega plina ali po »domače« plazme. In ko je ta plazma dovolj vroča in gosta, pride do zlivanja jeder. Seveda se takoj pojavi vprašanje, je mogoče takšno plazmo omejiti v nek zaprt prostor, saj ga ni materiala, ki bi vzdržal takšne temperature. Rešitev je v omejevanju plazme, da bi ta sploh prišla v stik s stenami posode, v kateri se nahaja. Razvila sta se dva koncepta omejevanja plazme. Prvi je inercialno ali vztrajnostno omejevanje, drugi pa magnetno omejevanje, oziroma omejevanje plazme z magnetnim poljem. Za uporabo proizvodnje električne energije se civilni fuzijski programi posvečajo predvsem magnetnemu omejevanju plazme.

Za omejevanje plazme potrebujemo torej učinkovito magnetno polje. To pa je, da se ne spuščamo v teorijo, mogoče najbolje izvesti s superprevodnimi materiali. Težava teh je ta trenutek predvsem ta, da svojo superprevodnost, torej električno prevodnost brez električne upornosti, dosegajo le pri izredno nizkih temperaturah, ki so zelo blizu absolutne ničle (-273 stopinj Celzija oziroma 0 stopinj Kelvina). Te temperature pa je izredno težko doseči in je za to potrebno veliko energije. To pa se seveda ne sklada z idejo izdelave reaktorja, ki naj bi več energije proizvedel kot pa je porabi. Cilj znanstvenikov je torej izdelati superprevoden material, ki bo »deloval« tudi pri višjih temperaturah. In tu nastopita omenjeni MIT in CFS.

Superprevodni material, ki sta ga izdelali omenjeni ustanovi, je izdelan iz jeklenega traku, prevlečenega z itrij-barij-bakrovim oksidom (YBCO) in ponuja superprevodnost že pri -233 stopinjah Celzija. To je še vedno grozno nizka temperatura, a neprimerno lažje dosegljiva kot tiste blizu absolutne ničle.  Bol bi namreč že blizu ravni, ki  bi omogočala izdelavo manjših, izredno močnih in energetsko učinkovitih magnetov, ki bi potem lahko omogočili izdelavo »energetsko pozitivnih« reaktorjev, torej reaktrojev, ki bi od sebe dali več kot bi dobili.

Zadeva je ta trenutek v fazi teorije, ki pa naj bi jo preko projekta, imenovanega Sparc, že zelo kmalu testirali tudi v praksi. V projektu sicer naj ne bi šli tako daleč, da bi dejansko proizvajali elektriko. Nameravajo se namreč ustaviti kak korak prej, saj je namen projekta dokazati koncept možnosti nadzirane jedrske fuzije. Ko in če bo to uspelo, bodo naredili naslednje korake, ki bi lahko že v petnajstih letih privedli do prvih dejanskih fuzijskih elektrarn.

In kakšne so prednosti fuzijskih elektrarn? Najprej v tem, da so varne. Zaradi same narave procesa niso možne katastrofalne nesreče, tipa taljenja sredice, kajti plazma ob vsaki motnji sama ugasne in ni zaostale toplote. V reaktorju nikoli ni več kot 1 g goriva (v Krškem ga je recimo več deset ton), tako da tudi ob sabotaži ali terorističnem napadu ne more priti do radioaktivnih izpustov, ki bi zahtevali evakuacijo lokalnega prebivalstva. Zaloge goriva so tudi neizčrpne in enakomerno porazdeljene po svetu (ne tako kot npr. nafta), saj gre za lahke atome in ne visoko radioaktivne snovi. Fuzijske elektrarne bodo elektrarne z veliko vgrajeno močjo (1000 MW) in zato primerne za energijsko oskrbo velikih potrošnikov.

Fuzija predstavlja zanesljiv, varen, trajen in okolju prijazen energijski vir prihodnosti in upajmo, da jo bomo čim prej dočakali.

Vir: The Guardian, WBUR, Tomaž Gyergyek Univerza v Ljubljani