Dr. Luka Snoj

Raziskovanje zlivanja jeder vodika in njegovih izotopov, ki bodo pridobljeni iz vode oziroma zemlje, se zdaj seli v francosko Provanso, kjer nastaja mednarodni eksperimentalni reaktor ITER. Čez približno štirideset let naj bi na podlagi tamkajšnjih izsledkov nastala tudi prva delujoča fuzijska elektrarna. Celotna mednarodna promocija fuzijske tehnologije je bila zaupana Sloveniji, pri razvoju reaktorja pa sodeluje Slovenska fuzijska asociacija, ki združuje raziskovalce Instituta Jožefa Stefana (IJS) ter univerz v Ljubljani in Novi Gorici. Med njimi zaseda pomembno mesto fizik dr. Luka Snoj z IJS.

Je, vendar posredno. Lahko bi namreč rekli, da je Sonce primarni vir večine energije na Zemlji. Kako denimo pridemo do hidroenergije? Iz vode, ki priteče iz hribov. Ampak kako je voda prišla v hribe? Izhlapela je iz morja, se nabrala v oblakih in v obliki padavin padla na Zemljo. Izhlapela pa je zaradi Sonca. Enako velja za vetrno energijo, saj veter piha zaradi Sončevega neenakomernega obsevanja zemeljske oble. Kako je fosilna energija prišla v biomaso? Gre za odmrle mikroorganizme, rastline in živali, ki so energijo s pomočjo fotosinteze neposredno ali posredno črpali od Sonca. Sončne elektrarne se napajajo iz sončnih žarkov. In tudi težka jedra urana, goriva za jedrsko energijo, ki je sicer od Sonca neodvisna, so nastala nekoč davno ob eksploziji supernove. Zato se seveda pojavi vprašanje, zakaj ne bi Sonca ustvarili na Zemlji. Na Soncu namreč poteka zlivanje jeder, natančneje – jeder vodika. Podobne reakcije znamo ustvariti tudi na Zemlji.

Pri fuziji je bistveno, da je masa produktov manjša od mase reaktantov, torej od protonov, ki vstopajo v reakcijo. Reakcija poteka v skladu z Einsteinovo enačbo E > mc2, razlika v masah pa se manifestira kot energija. Če torej vodikova jedra zlivamo, se sprosti desetmilijonkrat več energije, kot če vodik sežgemo, ga spojimo s kisikom, in nekajkrat več energije kot pri klasični jedrski reakciji s cepitvijo jeder.

Potrebujemo visoko temperaturo, pri kateri snov preide v četrto agregatno stanje – plazmo. Ta nastane, ko se elektroni in jedra atomov med seboj ločijo. V naravi plazma nastane, ko udari strela in segreje zrak okrog sebe; nastaja denimo tudi pri varjenju ali v neonskih lučeh.

Pri zelo visoki temperaturi jedra, osvobojena elektronov, potujejo zelo hitro, med seboj trkajo in se zlivajo. Na Soncu se zlivajo jedra vodika, v našem primeru pa je najlažje zlivati jedra izotopov vodika, devterija in tritija.

Da, devterij se nahaja v vodi. V tisoč litrih ga je triintrideset gramov. S tolikšno količino bi lahko eno uro poganjali elektrarno, ki bi proizvedla toliko moči kot jedrska elektrarna v Krškem. S kubičnim metrom vode bi torej lahko za eno uro pokrili tretjino slovenskih potreb po energiji. Potem potrebujemo zgolj še tritij. Tega v naravi ni, ampak ga pridobivamo iz litija, kovine, ki jo najdemo v zemlji. Petdeset gramov ga je v dveh tonah in pol oziroma v slabem kubičnem metru zemlje. Enaka količina litija je tudi v dvesto sedemdesetih kubičnih metrih morske vode. Če litij obstreljujemo z nevtroni, ki sicer nastajajo kot stranski produkt v fuzijski reakciji, dobimo helij in tritij. Tako je krog reakcij sklenjen in elektrarna lahko sama sebi proizvaja gorivo.

Dobra lastnost fuzijske elektrarne je, da gorivo dovajamo po kapljicah, v trenutku, ko se zgodi kaj nepredvidljivega, pa je dovolj zapreti »pipico« in reakcija se nemudoma ustavi. Zlivanje jeder je namreč zelo težko doseči in če gre karkoli narobe, ni niti teoretične možnosti za to, da bi reakcija ušla izpod nadzora. Količina goriva, shranjenega v skladišču fuzijske elektrarne, je obenem tako majhna, da ga je mogoče spraviti v en zaboj. Zato tudi ob nesreči ni treba evakuirati okoliških prebivalcev. Pri jedrski elektrarni, kakršna je denimo v Krškem, pa gorivo vsakih osemnajst mesecev pripeljejo z dvema tovornjakoma in v reaktor vstavijo vsega hkrati.

(smeh) Ker je fuzijska tehnologija izjemno zahtevna. Težavno je denimo zadrževanje plazme v reaktorju. Gre namreč za plin nabitih delcev, ki se med seboj odbijajo, obenem pa ima plazma sto milijonov stopinj Celzija, kar je nekajkrat več kot znaša temperatura Sonca. Na svetu ni materiala, ki bi zdržal stik s tako visoko temperaturo. Zato plazmo zadržujemo z magneti v vmesnem prostoru.

Takšnemu reaktorju pravimo tokamak. Izumili so ga ruski znanstveniki, največji tokamak na svetu pa trenutno deluje v Oxfordu. Imenuje se JET, Joint European Torus (skupni evropski torus, op. p.), in v njem opravljam raziskave tudi sam.

Tako je, gradijo ga v južni Franciji, pri njegovem nastanku pa poleg Evropske unije sodelujejo še Japonska, Indija, Kitajska, Južna Koreja, Rusija in Združene države Amerike.

ITER bo predvidoma zgrajen leta 2022. Njegova naloga bo obrniti razmerje med vloženo in pridobljeno energijo. Medtem ko JET proizvede približno petinšestdeset odstotkov energije, ki je vanj vložena, bo ITER toliko večji, da bo proizvedel desetkrat več od vložene energije. To bo sicer zgolj eksperimentalna naprava, na kateri bomo šele testirali različne procese. Naslednja naprava, ki se bo imenovala DEMO in ki bo predvidoma do leta 2050 dokončana na Japonskem, pa bo dejansko začela proizvajati elektriko.

Če začnemo s ceno gradnje reaktorja ITER, je bila sprva ocenjena na deset milijard evrov, zdaj pa se je že podražila na trinajst do štirinajst milijard...

Fuzija se splača dolgoročno. V daljšem obdobju takšnega načina življenja, kot ga živimo sedaj, s fosilnimi gorivi ne bomo mogli vzdrževati.

Danes jo pridobivamo večinoma iz fosilnih goriv, nafte, premoga in zemeljskega plina. Njihova slabost je, da so zaloge omejene in da se pri izgorevanju sproščajo škodljivi plini, med drugim ogljikov dioksid, ki povzroča globalno segrevanje ozračja. Poleg tega smo, vsaj v Evropi, zelo odvisni od uvoza fosilnih goriv iz drugih delov sveta.

Alternativa tem virom energije so energije, o katerih sem že govoril – hidroenergija, vetrna, sončna energija ter jedrska energija. Klasična jedrska energija je sicer okolju in ljudem zelo prijazna, saj izpustov pravzaprav ni, njena cena je nizka, energija je dostopna ves čas. Zaloge urana zadoščajo za nekaj sto let, če bodo v uporabi novi tipi reaktorjev, pa celo za nekaj tisoč let. Vendar je zaradi občasnih nesreč veliko vprašanje njena družbena sprejemljivost.

Pri vseh različicah elektrarn pa se moramo spraševati o razpoložljivosti in navsezadnje tudi o ceni. Sončna energija ima denimo velik potencial, a bi bilo treba s sončnimi celicami prekriti ogromna ozemlja. Sončna elektrarna, ki bi pokrivala slovenske potrebe po energiji, bi se morala raztezati od Debelega rtiča do Dragonje, široka pa bi bila približno en kilometer. In delovala bi le tedaj, ko sije sonce!

V nasprotju s tem bo gradnja fuzijske elektrarne sicer draga, a bo obratovanje poceni. Gorivo bo, kot smo rekli, skorajda zastonj, saj je gorivo fuzijske elektrarne voda! Ta rešitev bo tudi zelo varna. Vsekakor pa bo to tehnologija naših zanamcev – vnukov in pravnukov.