V graditev reaktorja je vsak dan tako ali drugače vpetih okrog 5.000 ljudi s praktično vsega sveta. Foto: Špela Novak
ITER – angleška kratica za Mednarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor – v latinščini pomeni “pot2. Pot do Sonca, bi lahko rekli. Oziroma do poustvarjanja fuzijskih reakcij, ki potekajo v zvezdah.
Oglas
Pobuda za projekt je bila dana že pred 40-imi leti, na prvem srečanju ameriškega in sovjetskega predsednika Ronalda Reagana in Mihaila Gorbačova leta 1985 v Ženevi. V zadnjem obdobju hladne vojne sta se predsednika zavzela za sodelovanje na področju fuzije, ki bi bilo v dobro vsega človeštva. Projekt pa je nato zaživel leta 2006 s podpisom mednarodne pogodbe, s katero se je vanj vključilo sedem podpisnic: poleg Združenih držav in Rusije še Kitajska, Indija, Južna Koreja, Japonska in Evropska unija. “Iter je trenutno eden največjih znanstveno-tehnoloških projektov. V njem so združene vse gospodarsko najmočnejše in največje države in upam si trditi, da trenutno ni bolj združevalnega projekta na svetu, vse z namenom zgraditi eksperimentalni reaktor, kjer bi razvijali jedrsko fuzijo. Naloga ITER-ja pa bo demonstrirati, da lahko iz jedrske fuzije, se pravi zlivanja jeder, pridobivamo več energije, kot je vložimo v samo reakcijo,” pravi Luka Snoj, vodja odseka za reaktorsko fiziko na Inštitutu Jožef Stefan in profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.
Kljub izredno zaostrenim mednarodnim razmeram graditev reaktorja še naprej poteka – dokaz, pa čeprav praktično edini, da je sodelovanje med vsemi temi državami kljub vsemu še naprej možno.”To je lepota tega projekta: da teče, ne glede na to, kaj se dogaja v svetu. Ne bom rekel, da ni izzivov, ampak države so še vedno zavezane temu projektu.”
V graditev reaktorja je vsak dan tako ali drugače vpetih okrog 5.000 ljudi s praktično vsega sveta. Vsaj približen uvid v to, kako velik je ta projekt, dobimo, ko vstopimo na območje reaktorja in številnih drugih poslopij, pred čimer si moramo – ker gre za gradbišče – nadeti zaščitno opremo: čevlje, čelado, jopič, očala in rokavice, pred vstopom v osrednjo stavbo s tokamakom zaradi čistoče še zaščitne prevleke za čevlje. Do glavnih stavb nas od vhoda popelje avtobus.
“Lahko vidite dve različni barvi stavb. Bele stavbe so samo začasne, namenjene shranjevanju, sive stavbe pa so namenjene dolgotrajni uporabi,” razloži eden od naših dveh vodnikov po ITER-ju Gašper Renko, ki tam dela zadnjih pet let kot sodelavec podjetja Cosylab.
Srce, ali v kontekstu fizike delcev bolje rečeno jedro reaktorja, je tako imenovani tokamak. Beseda je skrajšan ruski izraz za toroidno komoro z magnetnimi tuljavami. Gre za nekakšno ogromno posodo premera 30 metrov in prav takšne višine, v kateri bo krožila plazma z volumnom 830 kubičnih metrov. Plazma bo segreta na nepredstavljivo visoko temperaturo 150 milijonov stopinj Celzija. To je veliko višja temperatura od tiste v središču Sonca, ki znaša okrog 15 milijonov stopinj, medtem ko je temperatura na površju Sonca »samo« 5500 stopinj. Take temperature ne prenesejo nobeni materiali, plazmo bodo znotraj tokamaka zadrževali z zelo močnimi magnetnimi polji in se ne bo dotikala sten, tako da je opis »posoda« morda nekoliko zavajajoč.
ITER. Foto: Špela Novak
Kaj se bo v ITER-ju pravzaprav dogajalo?
Zakaj sploh potrebujemo tako visoke temperature? Spregovorimo najprej o atomih oziroma njihovih jedrih. “Pri jedrski energiji izkoriščamo najmočnejšo silo, kar jih človeštvo pozna, to je močna jedrska sila. Ima zelo kratek doseg, od enega nukleona do drugega. Jedrska sila je tista sila, ki veže protone in nevtrone v jedro in izkazalo se je, da so najstabilnejša jedra okrog železa. Energija se sprošča, če lažja jedra združujemo, to se dogaja v zvezdah, ali pa zelo težka jedra, kot so jedra urana, cepimo na lažja jedra,” pojasnjuje Snoj.
Jedrske elektrarne, kot jih poznamo, delujejo na podlagi cepitve jeder. Fuzija pa je proces, v katerem se dve lahki atomski jedri združita v eno težje jedro. To je, kot pravijo v ITER-ju, najenostavnejši proces v naravi, saj na Soncu poteka že več milijard let. Jedra atomov vodika se ob izredno visokih temperaturah in tlaku na Soncu zaletavajo in spajajo v jedra helija, pri tem pa se sprošča ogromno energije, ki med drugim omogoča življenje na Zemlji. Ta »enostaven« proces bi radi poustvarili na Zemlji. Vendar pot do njega ni enostavna.
“Jedra so pozitivno nabita in načeloma ne gredo najrajši skupaj, zato jih moramo k temu prisiliti; k temu jih lahko prisilimo s tem, da jim damo visoko hitrost oziroma visoko energijo. V mikroskopskem svetu jeder je merilo za kinetično energijo temperatura, zato moramo ta jedra segreti na zelo visoko temperaturo. Na Soncu se zlivanje vodikovih jeder dogaja pri 10 milijonih stopinj Celzija. Ampak Sonce ima ogromno maso, ogromno prostora in ogromno časa. Na Zemlji bi radi to naredili na majhnem prostoru v manj časa, zato moramo vse skupaj pospešiti.”
In doseči temperaturo 150 milijonov stopinj Celzija. Pri takih temperaturah gre snov v stanje plazme, to je mešanice pozitivno nabitih atomskih jeder in negativno nabitih elektronov. Ker so ti delci nabiti, jih bodo znotraj tokamaka zadrževali s pomočjo močnega magnetnega polja, stotisočkrat močnejšega od Zemljinega.
“Tukaj pa se pojavijo precejšnji izzivi, namreč plazma kot neko četrto agregatno stanje snovi je zelo izmuzljiva, zelo nepredvidljiva,” še pojasnjuje Snoj.
Še posebej, ker bi jo za stabilen vir energije radi obdržali dlje časa. Morda še večji izziv pa so materiali, ki bodo morali prenesti tako pritisk visokoenergijskih delcev, ki bodo izhajali iz plazme, kot ekstremne temperature.
“Okoli plazme je v tej napravi vakuum in nato stena, ki ta vakuum zadržuje. Ta stena je podvržena izjemnim vplivom delcev, ki izhajajo iz plazme. To so visokoenergijski ioni in nevtroni, ki povzročajo poškodbe v materialih. Potem imamo na drugi strani plazme superprevodne magnete, ki so hlajeni s tekočim helijem na približno -269 stopinje Celzija, tako da imamo na razdalji dveh do treh metrov najvišje in najnižje temperature na Zemlji. Vse to so izjemni tehnološki izzivi, ki jih nekako premagujemo. Napredek se dogaja. Zraven smo tudi slovenski raziskovalci z Inštituta Jožef Stefan. Kolegica Petra Jenuš Belec je pred dvema letoma na največji konferenci s področja fuzije SOFT prejela priznanje Evropske komisije za prebojne inovacije na področju fuzijskih tehnologij, za razvoj novega materiala iz volframa, namenjenega fuzijskim reaktorjem. Ostajajo pa še precejšnji izzivi,” še pove Luka Snoj.
Posamezne dele za reaktor izdelujejo v različnih državah – na koncu pa morajo vse skupaj sestaviti v celoto. Foto: Špela Novak
ITER ni ekonomski projekt
Samega tokamaka, ki ga sestavljajo po delih, ob našem obisku žal nismo mogli videti zaradi nepredvidenih del na višini. Lahko pa smo obiskali stavbo, v kateri ga gradijo – tik preden so tudi to začasno zaprli za obiskovalce. Sega več kot 60 metrov visoko, s čimer je višja od pariškega Slavoloka zmage. Takšna izjemna višina je potrebna, ker tam sestavljajo ogromne komponente reaktorja in jih z zelo zmogljivimi dvigali premikajo in spuščajo na svoje mesto.
“Ker so komponente tako velike, uporabljajo za njihove premikanje posebne kletke. Trenutno je v eni kletki eden izmed magnetov. Če bi ga dvignili na eni strani z dvigalom, bi se zvil. Zato ga dajo najprej v kletko in ga s kletko vred postavijo v pravilen položaj,” razlaga Gašper Renko.
Tokamak bo zgrajen iz devetih delov, ki si jih lahko, kot pove, predstavljamo kot devet krhljev pomaranče. Zelo velike pomaranče. Vsak del ima približno 950 ton. Ravno v tednu našega obiska so vstavili peti del, montažo šestega načrtujejo za julij.
ITER bo tudi tema ponedeljkova oddaje Eppur Si Muove. Vabljeni k poslušanju!
ITER ni ekonomski projekt in ne bo proizvajal električne energije. Njegova naloga je z eksperimenti pokazati, da je to možno – da ima torej fuzija komercialni potencial.
“Cilj je pokazati, da smo sposobni zgraditi reaktor, ki bo ustvaril desetkrat več energije, kot je porabimo za segrevanje plazme,” pravi Renko.
Za vloženih 50 megavatov moči v obliki toplote mora proizvesti 500 megavatov energije. Če mu to uspe, bo to pomenilo, da je eksperiment uspel. Nadaljnji razvoj naj bi opravljali komercialni fuzijski reaktorji.
Za razliko od Sonca, kjer se spajajo jedra običajnega vodika, bodo reakcije v ITER-ju v zadnji fazi poskusov temeljile na zlivanju dveh vodikovih izotopov: devterija in tritija. Medtem ko je devterija v naravi dovolj, pa za tritij to ne velja. Na svetu ga je le okrog 10 kilogramov, kar ni dovolj niti za delovanje ITER-ja. ITER si zato prizadeva, da bi gorivo za svoje delovanje proizvajal sam, tako da bi v steno tokamaka dali litij in ga prepustili nevtronom.
“Pri zlivanju devterija in tritija nastane helijevo jedro, poleg njega še en nevtron. Ta visokoenergijski nevtron povzroča poškodbe v materialih, lahko pa ga tudi izkoriščamo. Namreč, če s temi nevtroni obstreljujemo litij, ki je precej pogost element, nastaja tritij kot gorivo za fuzijske reaktorje. To je še ena od posebnosti fuzijskih reaktorjev, da si bodo morali gorivo proizvajati sami,” pojasnjuje Luka Snoj z Inštituta Jožef Stefan.
V sredini komore bo torej plazma, segreta na 150 milijonov stopinj Celzija. Na koncu reaktorja, kjer so magneti, pa bo temperatura znašala manj kot 5 Kelvinov oziroma minus 268 stopinj, kar je zelo blizu absolutne ničle. Magneti so namreč superprevodni. Veliko procesov v ITER-ju teče sočasno. Tako so ravno nekaj dni pred našim obiskom uspešno končali drugi del testiranja ohlajanja magnetov, ki so jih naprej ohladili na 80 Kelvinov, nato pa na 4,7 Kelvina. Naslednji del preizkusa je dati magnete pod električno napetost.
Foto: Špela Novak
Covid zamaknil uresničitev načrtov
ITER je zelo zahteven inženirski projekt, v katerem se dogajajo tudi napake. Ena takšnih, ki je povzročila precej zamude in jo zdaj odpravljajo, je bila narejena pri varjenju toplotnih ščitov – konstrukcij, ki zmanjšujejo prenos toplote z bolj toplih delov sistema na zelo hladne dele. Na cevkah, ki so privarjeni na te ščite, so se pojavile razpoke. Precej dolgo je trajalo, da so te ščite odmontirali in začeli napake odpravljati.
To je bil eden od razlogov za zamude projekta. Posamezne dele za reaktor namreč izdelujejo v različnih državah – na koncu pa morajo vse skupaj sestaviti v celoto. “Lahko si predstavljate, da je prava nočna mora nadzirati izdelavo iste komponente z enakimi, zelo strogimi specifikacijami v različnih delih sveta, z različnim odnosom do dela, različnimi praksami, različnimi protokoli čistoče in tako naprej,” razlaga Sabina Griffith, ki je v ITER-ju zadolžena za odnose z mediji.
Veliko težav jim je povzročila tudi epidemija covida 19. Časovne roke so zato zamaknili za nekaj let naprej. Trenutno pa so glede na te nove roke za pol leta v prednosti, prvič doslej.
“15 let so nas kritizirali zaradi slabega menedžmenta, prevelikih stroškov, zdaj pa smo prvič v prednosti. Ampak tu se učimo na podlagi izkušenj. Ko smo inštalirali prvi del tokamaka, smo bili zelo živčni, saj tega še nihče ni počel. Potrebovali smo tri dni, da smo ga sploh pravilno dvignili in nato še tri dni, da smo ga spustili na pravo mesto, potem pa smo ga morali spet odstraniti, ker smo odkrili napake. Zdaj smo se že veliko naučili, vzpostavili rutino, in delo poteka hitreje.”
Gašper Renko. Foto: Špela Novak
Luka Snoj poudarja, da gre za zelo edinstven projekt. “Opravka imamo s komponentami v dimenzijah, kot še nikoli niso bile narejene, in z minimalnimi odstopanji. Poleg tega imamo izzive pri vodenju projekta s tako velikim številom udeležencev z zelo različnimi interesi. To je zahtevno.”
Po novih rokih naj bi se eksperimenti začeli leta 2034. Sprva bodo uporabljali navaden vodik in devterij, v tej fazi bodo še možni vstopi v reaktor. Šele v zadnji fazi, ki naj bi se začela leta 2039, bodo začeli uporabljati tudi radioaktivni tritij. Sabina Griffith, ki je v ITER-ju že od vsega začetka, pravi, da jo še vedno iz dneva v dan navdušuje. “Zame je to naprava stoletja, česa takšnega še nikoli nismo naredili. Je ogromna, kompleksna, prav vsak njen del je narejen posebej za ITER, vsako podrobnost je treba načrtovati, to je mojstrovina inženirstva in sodelovanja.”
Luka Snoj z Inštituta Jožef Stefan ga vidi tudi kot nekakšen mirovniški projekt. “Kaže, da smo kljub vsemu dogajanju po svetu našli skupno točko, kjer sodelujemo. Ne bom rekel, da je to sodelovanje najlažje. Je zahtevno, ampak poteka in ITER napreduje. Vse te države se torej zavedajo, da je energija pomembna za človeštvo, in fuzija ima velik potencial nizkoogljičnega vira energije.”
ITER je res eden najdražjih energetskih eksperimentov in fuzija sama je kot vir energije še vedno obljuba prihodnosti. Vendar razvoj v ITER-ju pozorno spremljajo raziskovalci in energetska podjetja. Če bo namreč raziskovalcem uspelo dokazati, da znamo fuzijo zanesljivo in učinkovito izkoriščati, bi bil to lahko začetek velike preobrazbe naših energetskih sistemov v nizkoogljične, veliko bolj učinkovite in take, ki temeljijo na virih, ki jih je okrog nas v izobilju.
In pri tem tudi v današnjih tako zelo negotovih časih sodeluje ves svet.
Vsebina je del projekta Tu EU – Povezani za prihodnost, ki ga sofinancira Evropska unija.
Oglas