Znanstvenici dali procjene kada stiže nepresušna čista energija

PAUL M. Sutter, astrofizičar na SUNY Stony Brooku i Institutu Flatiron u New Yorku te popularizator znanosti, nedavno je na stranici Space.com objavio prilično sumorna predviđanja o tome kada bi u komercijalnu upotrebu mogla stići fuzija, koja se smatra najboljim izvorom čiste energije.

Zašto je energija fuzije sveti gral energetike?

Fuzijska energija je sveti gral energetike jer bi mogla stvarati goleme količine energije bez emisija CO₂ i radioaktivnih nusprodukata.

U fuziji, kao i u fisiji, masa elemenata koji ulaze u interakcije veća je od mase onih koji nastaju u reakciji. Razlika u masi pretvara se u energiju, a iz Einsteinove formule E = mc² jasno je da mala masa stvara golemu energiju jer se množi s golemim brojem c² (brzina svjetlosti na kvadrat) što je otprilike c²=(3×10⁸ )²=9×10¹⁶.

Pri tome je, gledano prema masi goriva, fuzija tisuću puta efikasnija od fisije. Za laičku ilustraciju, fisijskim nuklearnim bombama snaga se mjeri u kilotonama, a fuzijskim termonuklearnim bombama u megatonama.

Fuzija ne stvara nikakav dugotrajni radioaktivni nuklearni otpad. Fuzijski reaktor proizvodi male količine helija, koji je inertan plin (dnevna količina ITER-a bila bi zapremine oko jednog dječjeg balona). Fuzija također troši i proizvodi tricij unutar postrojenja u zatvorenom krugu.

Tricij je radioaktivan (beta emiter), ali je njegov poluživot kratak – samo 12 godina. Koristi se samo u malim količinama pa, za razliku od dugoživućih radioaktivnih jezgri, ne može izazvati nikakvu ozbiljnu opasnost. Za usporedbu, neki od najduže živućih radioaktivnih izotopa koji se nalaze u nuklearnom otpadu fisijskih nuklearki uključuju plutonij-239, s poluživotom od 24.000 godina, i jod-129 s poluživotom od 15.7 milijuna godina.

Kod fisije imamo posla s tonama radioaktivnog teškog metala, a kod fuzije s vrlo malom količinom razrijeđenog plina – par kilograma u nekoliko stotina kubnih metara fuzijskog reaktora.

Ključne prednosti fuzije u odnosu na druge obnovljive izvore

Fuzija ima nekoliko ključnih prednosti u odnosu na tzv. obnovljive izvore energije:

Neograničen izvor energije: Fuzija koristi izotope vodika – deuterij i tricij, koji su dostupni u velikim količinama, što je čini potencijalno neiscrpnim izvorom energije.

Čista energija: Elektrane koje koriste nuklearnu fuziju ne proizvode stakleničke plinove, što znači da je njihov utjecaj na klimatske promjene minimalan.

Pouzdana energija: Za razliku od nekih obnovljivih izvora energije poput vjetra i sunca, koji su povremeni, fuzija može pružiti postojan izvor energije.

Mala zapremina: Nuklearna fuzijska elektrana može proizvesti velike količine energije na relativno malom prostoru. To je posebno važno u gusto naseljenim područjima ili ondje gdje je prostor ograničen.

Konkurentna energija: Kada se komercijalno implementira, fuzija bi mogla isporučiti konkurentnu energiju.

Pesimistična predviđanja

Sutter u svojem članku kaže da ne može sa sigurnošću reći kada ćemo, ako ćemo ikada, postići održivu fuzijsku energiju.

„No evo mojih predviđanja, konstruiranih potpuno neznanstveno: 10% šanse u sljedećih 20 godina, 50% šanse u sljedećem stoljeću, 30% šanse u sljedećih 100 godina nakon toga i 10% šanse da se to nikad neće dogoditi“, napisao je u osvrtu Sutter.

Zašto je fuzijska elektrana teško ostvariva, a bomba ne?

U uvodu u tekst američki astrofizičar podsjeća zašto je komercijalno korištenje fuzije za proizvodnju energije teško ostvarivo, odnosno zašto je ona jedna od onih stvari koje su uvijek iznova i iznova već 50-ak godina „samo 20 godina od nas“.

Ukratko i pojednostavljeno, kontroliranu fuzijsku reakciju teško je postići jer pokretanje procesa fuzije, odnosno spajanja malenih atoma poput vodika u veće poput helija zahtijeva ekstremne temperature i tlakove kako bi se prevladala prirodna odbojnost između pozitivno nabijenih jezgara atoma. Ti visoki tlakovi i temperature prirodno postoje u zvijezdama, uključujući Sunce, no da bi se ostvarili u fuzijskoj elektrani na Zemlji, potrebno je razviti sofisticirane tehnologije i materijale koji mogu izdržati takve ekstremne uvjete.

Temperature više nego na Suncu

Za ilustraciju, u ITER-u, međunarodnom megaprojektu za istraživanje i inženjering nuklearne fuzije, koji bi trebao biti ključan za dokazivanje da je komercijalna fuzija moguća (on neće biti izvor komercijalne energije, već samo model za buduće fuzijske nuklearke), tlak će biti do 50 puta veći od atmosferskog, a temperature će se kretati do 150 milijuna °C, što je deset puta veća temperatura od one u središtu Sunca.

S druge strane, termonuklearna bomba, koja također koristi fuziju, ali nekontroliranu lančanu reakciju u kojoj se izotopi vodika kombiniraju pod izuzetno visokim temperaturama (zato se zove hidrogenska, odnosno H bomba), puno je lakše ostvariva jer se od nje očekuje da eksplodira i uzrokuje velika razaranja. U elektranama se razaranja ne bi smjela događati, naprotiv.

Nestručna predviđanja

Tu se nameće pitanje zašto uopće prenositi Sutterova predviđanja, kada on sam priznaje da ona nemaju neko jako znanstveno uporište?

Prvi razlog je taj što Space.com i Sutter nisu neozbiljni izvori informacija; njegova predviđanja su informirana i imaju neku težinu.

Drugi razlog je taj što si pitanje kada će konačno fuzija mnogi iznova i iznova s nestrpljenjem postavljaju jer se projekcije dovršetka ITER-a, prvog reaktora u južnoj Francuskoj, koji bi trebao dokazati izvedivost fuzije kao izvora energije velikih razmjera, stalno pomiču, a troškovi prebacuju planirane.

Za ilustraciju, kada je projekt započet 2006. godine, međunarodni partneri složili su se da će u njega uložiti 5 milijardi eura s planom da će biti pokrenut 2016. Najnovija službena procjena troškova iznosi više od 20 milijardi eura, a tome treba dodati i troškove održavanja.

Kada će ITER biti gotov i danas je teško precizno reći, a još je teže predvidjeti kada će na temelju njegovog primjera biti izgrađene prve komercijalne fuzijske elektrane.

Razvoj nove energije ne može biti jeftin

No, za bolje razumijevanje ovog teksta troškove izgradnje ITER-a važno je staviti u kontekst, odnosno usporediti ih s troškovima nekih drugih velikih projekata.

Primjerice, trošak izgradnje drugog reaktora u NE Krško procjenjuje se na oko 11 milijardi eura. Izgradnja Međunarodne svemirske postaje (ISS) koštala je samo NASA-u oko 100 milijardi dolara, dok se prema izvješću Međunarodne energetske agencije (IEA), samo u 2023. godini u solarne investicije uložilo oko 380 milijardi USD. Njemačka godišnje subvencionira obnovljive izvore s oko 25 milijardi eura, što znači da bi Njemačka godišnje sama mogla sagraditi jedan ITER. Manhattan projekt razvoja prve atomske bombe koštao je, preračunato, oko 27 milijardi eura.

20 milijardi eura za izgradnju ITER-a u tom je svjetlu gotovo smiješan iznos.

Za očekivati je da razvoj potpuno novog izvora energije ne može biti jeftin. Istraživanja fuzije financirana su od 1980-ih na svjetskoj razini s najviše oko milijardu eura godišnje, ako se zbroje sva ulaganja u fuziju u EU, SAD-u, Japanu, Kini, Koreji i Rusiji.

Fuzija još nije dovoljno u fokusu

Sutterov pesimističan tekst važan je, među ostalim, i zbog toga što kritički ukazuje na jednu vrlo bitnu činjenicu – da fuzijskim reaktorima na globalnoj razini do sada nije posvećena dovoljna pozornost.

Autor ističe da je čovječanstvo u povijesti već mnogo puta ostvarilo velike projekte od sustava navodnjavanja, preko izgradnje golemih hramova do razvoja parnog stroja i putovanja na Mjesec.

„Obično ovakvi projekti zahtijevaju sudjelovanje više generacija. No, ponekad možemo ubrzati napredak i dovršiti ih u kratkom vremenu kada uložimo ogromne količine resursa u njih i istovremeno imamo pravu sreću s pravim ljudima, vodstvom, talentom i znanjem“, ističe Sutter.

Skepsa se temelji na kašnjenjima ITER-a

Hrvatski stručnjak za fuziju Tonči Tadić kaže da je problem Sutterovog članka opća skepsa u pogledu fuzije, unatoč tome što rezultati pokazuju da je fuzija realno ostvariva.

„Kao što je rekao Isaac Asimov, čovječanstvo će imati fuziju kada bude tehnološki spremno za nju. Mi smo na pragu da to realiziramo“, kaže Tadić.

„Članak svoju skepsu gradi na sporoj izgradnji ITER-a. No, spor razvoj tog projekta nema veze ni s fizikom niti s tehnologijom, nego s loše postavljenim menadžmentom. U njemu osam partnera pokušava isporučiti neke tehnologije bez jasnih kriterija o prihvatljivosti isporučenog. U konačnici se svi čude kad neki dijelovi ne odgovaraju. Problem je u tome što se radi o osam suverenih partnera kojima se ne može ništa narediti. To je problem sa svim uređajima koji se rade po načelu dobrovoljnog sudjelovanja s proizvodima. Efikasniji pristup je kada svi daju novac pa se onda nabavi najbolje ili najjeftinije. No u ovom projektu svi su htjeli raditi na razvoju nekog dijela tehnologije, što je razumljivo“, tumači Tadić.

Prvo treba ostvariti tri ključna uspjeha

Pritom ističe da su za realizaciju fuzijske elektrane DEMO, uz postizanje stabilne fuzijske reakcije na ITER-u ili „goruće plazme“ ključna još tri ostvarenja.

„Prvi je uspjeh DONES-a, što znači kreiranje fuzijskih materijala koji mogu izdržati uvjete potrebne za fuziju. U tome važnu ulogu ima Hrvatska, koja zajedno sa Španjolskom predvodi DONES. Drugi je proizvodnja tricija za potrebe fuzije na industrijskoj skali, i to u samoj fuzijskoj elektrani. Niti jedan od postupaka stvaranja tricija do sada nije testiran na industrijskoj skali. Treći je ostvarenje modela elektrane koji bi bio financijski održiv – ona ne smije biti skuplja od prosječne fisijske nuklearke. Te stvari treba realizirati točno ovim redom“, kaže naš stručnjak za fuziju.

Prva demo elektrana najranije 2040., no prijelaz na fuziju trajat će još desetljećima

Tadić ističe da je konceptualno jasno što treba za energiju fuzije, laboratorijski je isprobano, no elektranu je teško napraviti na industrijskoj skali.

„Pretpostavimo da čak DEMO fuzijske elektrane – europska, američka, kineska i japanska – budu na električnoj mreži 2050., kao što se trenutno planira, i dalje će prijelaz na opću primjenu fuzije u svijetu trajati desetljećima, jer treba sagraditi sve te elektrane. ITER je bio tempiran za puštanje u pogon 2025. pa je ono odgođeno za 2028., a sada se govori o 2031. Međutim, nema šanse da ćemo prvu goruću plazmu u ITER-u imati prije 2035. S tim smo računali i od toga ne odstupamo. Međutim, novi direktor ITER-a Pietro Barobaschi uveo je smanjivanje očekivanja. Prvo se govorilo o tome da ćemo dobiti deset puta više izlazne energije od uložene. Kasnije se govorilo o 5 puta više, a Barobaschi sada kaže da će biti dobro ako dobijemo 3 puta više. Već i to bi značilo puno. Treba imati na umu da tu i dalje govorimo o drugoj polovici 2030-ih. Što se tiče DONES-a, prva projekcija bila je da će početi s radom 2031., međutim sada je nova, realnija procjena da će to biti 2035. Tu više ne bi smjelo biti odstupanja. ITER-u će zatim trebati još barem 5 godina da isproba sve moguće kontrole plazme, a DONES-u isto toliko da isproba sve potrebne materijale. Dakle, realno je očekivati da će gradnja prve demo elektrane početi 2040.“, kaže naš nuklearni fizičar s Instituta Ruđer Bošković.

Problem nepostojanja strategije

Tadić se slaže s dijelom članka u kojem Sutter piše da ne postoji jasna strategija.

„Kada se čovječanstvo ili neka država odluči za nešto, onda se definira strategija i za nju se izdvoji novac. Trenutno postoji znanstvena vizija, odnosno road map, u EU, Japanu, Kini i SAD-u. Međutim, potrebno je definiranje strategije s milestoneima, odnosno ključnim događajima te s rokovima i jasnim izdvojenim novcima. SAD je najavio da će svoju strategiju donijeti do 2028., Kina ju je već donijela i obznanila još 2022. na najvećoj svjetskoj fuzijskoj konferenciji SOFT-2022 u Dubrovniku, a Europska komisija sada razmišlja o pisanju svoje strategije na temelju koje bi definirala rokove i novac. U tome nezaobilaznu ulogu igra DONES, projekt u kojem vodeću ulogu igraju Španjolska i Hrvatska. Bit će nam puno lakše kada se donese strategija. Sada je napravljena procjena koja je pokazala da smo mi i Španjolci dobro postavili DONES. S termonuklearnim bombama bilo je puno lakše donijeti takvu strategiju. One su napravljene niti sedam godina nakon što je princip rada bio jasan“, kaže Tadić.

Što je DONES?

Projekt DONES (Demo-Oriented Neutron Source), u kojem uz Španjolsku glavnu riječ vodi Hrvatska, jest projekt čiji je cilj raditi kvalifikaciju materijala koji će se koristiti u budućim fuzijskim reaktorima. U DONES-u, akcelerator čestica proizvest će snop deuterona (D+), ubrzan na energiju od 40 MeV, koji će udariti u zavjesu tekućeg litija debljine 25 mm koja teče brzinom od 15 m/s. Reakcije u litiju, pri udaru snopa deuterona, generirat će visokoenergetski tok neutrona dovoljnog intenziteta da simulira neutrone u fuzijskom reaktoru. Ovaj tok neutrona koristit će se za ozračivanje uzoraka materijala smještenih neposredno iza litijeve zavjese u testnim modulima.

Tadić je voditelj Projektnog tima hrvatskog Konzorcija DONES.HR. U sklopu njega, Hrvatska bi trebala isporučiti opremu vrijednu 45 milijuna eura financiranu iz Europskih strukturnih fondova i proizvedenu u Hrvatskoj. Osim toga, u Hrvatskoj bi bila smještena oprema za potporu DONES-u u vrijednosti od 20 milijuna eura. Hrvatska bi time osigurala 5% eksperimentalnih kapaciteta na DONES-u za svoje znanstvenike, ali jednako tako ih može uz naknadu staviti na raspolaganje fuzijskim znanstvenicima izvan EU.