Nuklearna fuzija obećava ogroman napredak u proizvodnji električne energije, a sa sobom nema stigme koje vuče sadašnja tehnologija nuklearnih elektrana, zasnovanih na fisijskim procesima. Znanstvenici diljem svijeta rade na rješavanju brojnih zapreka koje još stoje na putu ostvarenja tog za mnoge energetskog svetog grala, a povod za ovu temu upravo je eksperiment koji je krajem prošle godine u Joint European Torus (JET) tokamaku u Engleskoj donio rekord u stvaranju energije od 69 megadžula.

JET je samo jedan od trenutačnih projekata koji radi na ostvarivanju zacrtane putanje prema fuzijskoj elektrani, i dio je EUROfusion konzorcija te svojevrsni pretprojekt glavnom projektu europskog fuzijskog reaktora ITER-a. Posebno je zanimljivo za nas da Hrvatska u toj priči nije samo tihi promatrač, već naši znanstvenici i tvrtke aktivno sudjeluju u ostvarivanju konačnog cilja, elektrane koja energiju dobiva u procesu fuzije, istom onom procesu koji se odvija na Suncu i koji omogućuje život na našem planetu.

Od brojnih domaćih snaga uključenih u projekte oko fuzije, ističu se dva imena. Hrvatski fizičar dr.sc. Tonči Tadić, s Instituta Ruđer Bošković, dio je hrvatske fuzijske istraživačke jedinice i aktivno sudjeluje u sastancima EUROfusiona te je dio tima koji sa španjolskim kolegama radi na projektu DONES. Svoj uvid u trenutačno stanje fuzije dao nam je i osnivač i vlasnik tvrtke Inetec, koja je aktivno uključena svojim robotskim uređajima u ispitivanje aktualnih nuklearnih elektrana. To iskustvo iskoristili su i na projektima za fuziju.

Priča stoljeća

Čelni čovjek IRB-a za pitanja fuzije, dr.sc. Tonči Tadić, smatra da se Hrvatska mora više uključiti u takve projekte.

Tonči Tadić: "Fuzija je doista priča 21. stoljeća, i Hrvatska u tome mora biti. Kada se počne graditi fuzijska elektrana DEMO, koja bi na mreži trebala biti do 2050. godine, zemlje u svijetu dijelit će se na one koje imaju fuzijsku tehnologiju i one koje nemaju, na one koje imaju reference iz fuzijskih postrojenja i one koje nemaju."

Jednaku važnost fisiji i fuziji daje i Duško Čorak, već više od 30 godina vodeći čovjek iza Ineteca.

Duško Čorak: "Fisija i fuzija najveća su dostignuća ljudskog uma. Znači da mi razbijanjem atoma ili spajanjem atomskih jezgri dolazimo do oslobađanja energije za uporabu."

"Taj segment za dobivanje čiste energije kod fuzije vrlo je prihvatljiv javnosti i možemo očekivati da će percepcija korištenja fuzije u mirnodopskim uvjetima biti široko prihvaćena, za razliku velikih oscilacija u prihvaćanju fisije." Duško Čorak

Put do DEMO elektrane

U okviru uz tekst naveli smo ostale svjetske projekte koji se bave tom problematikom, a fokus nam je ponajviše na EUROfusionu i planirani rad na ITER-u, DONESU i konačnoj DEMO elektrani.

Put do fuzijske elektrane zamišljen je uz projekt ITER, kao najveći svjetski tokamak za magnetnu fuziju. Paralelno se provodi projekt DONES, u kojemu veliku ulogu ima i Hrvatska, a glavni zadatak je istraživanje materijala. I konačno, najdugoročniji je projekt DEMO, koji kao krajnji cilj ima učinkovitu proizvodnju električne energije.

Na raznim projektima ispitivanja materijala zbog velikog iskustva na fisijskim elektranama sudjeluje i zagrebačka tvrtka Inetec. Njezin osnivač i vlasnik Duško Čorak vidi veliki potencijal u nuklearnim elektranama.

Duško Čorak: "Taj segment za dobivanje čiste energije kod fuzije vrlo je prihvatljiv javnosti, i u tom smislu možemo očekivati da će percepcija korištenja fuzije u mirnodopskim uvjetima biti široko prihvaćena, za razliku velikih oscilacija u prihvaćanju fisije."

"Kad god se govori o fuziji, ne može se ne govoriti o fisiji. Fisija i fuzija najveća su dostignuća ljudskog uma. Znači da razbijanjem atoma ili spajanjem atomskih jezgri dolazimo do oslobađanja energije za uporabu." Duško Čorak

Izazovi gradnje ITER-a

Ambiciozan projekt ITER, koji se priprema u južnoj Francuskoj, zajednički je napor 35 zemalja koje rade najveći svjetski tokamak. Ideja je omogućiti ogroman izvor energije koji nema negativni CO₂ otisak. Od početka projekta postoje različiti problemi oko rokova.

Tonči Tadić: "Radi se o prvom uređaju tog tipa u povijesti, i bilo je neozbiljno od prvih ljudi koji su ga vodili davati izjave kada će biti gotov. Ne može se reći niti je li skup ili ne, sve dok nije gotov."

Naš sugovornik također je istaknuo neke probleme koje je u upravi imao projekt, poput situacije da je prvotni direktor imao sedam zamjenika s pravom veta, ili nepostojanje prakse sučeljavanja na istom sastanku ljudi koji dizajniraju i onih koji isporučuju opremu. Novi direktor ITER-a Pietro Barabaschi donekle je riješio organizacijske probleme, i trenutačno je projekt u samoj završnici.

Tonči Tadić: "Građevinski radovi su gotovi, oprema stiže, zavojnice su gotove, stižu sektori vakuumske posude, i on bi doista mogao biti kompletiran na vrijeme, u idućih pet godina, nakon čega će početi testiranje zavaraka, montaža opreme, i vjerujem da je 2031./32. realan rok za plazmu. Kada bude potpuno gotova, bit će najveća posuda izgrađena za vakuumske uvjete. Samo srce sastoji se od devet segmenata, svaki od 140 tona, od čega četiri proizvodi Koreja, a pet EU."

Prema riječima našeg sugovornika, problema je bilo i prilikom isporuke segmenata vakuumske posude.

Talijanski konzorcij ANW (Ansaldo Nucleare Mangiarotti) radi svoje segmente tehnologijom kovanja INOX-a na vruće, kako ne bi bilo naprezanja materijala i radi se s izuzetno preciznim tolerancijama i pametnim zavarkom. Korejci, koji isporučuju četiri segmenta, odlučili su se za kovanje na hladno.

"Fuzija je doista priča 21. stoljeća, i Hrvatska u tome mora sudjelovati. Kada se počne raditi fuzijska elektrana DEMO, koja bi na mreži trebala biti do 2050. godine, zemlje u EU i svijetu dijelit će se u dvije skupine: na one koje imaju fuzijsku tehnologiju i one koje nemaju, na one koje imaju reference iz fuzijskih postrojenja i onih koje nemaju." Tonči Tadić

Tonči Tadić: "Detaljnim uvidom u zbivanja oko talijanskih sektora zaključili smo na upravnom odboru da su kompanije usporavale proces zavarivanja zbog pretjerano strogih i skupih kontrola rendgenom, zbog bojazni od mogućih grešaka pri zavarivanju i općenito grešaka u izvedbi sektora, koje je kasnije skupo i teško ispraviti. Kod korejskih sektora išlo se u drugu krajnost: pretjerana brzina isporuke, niže tolerancije izrade sektora, uključujući slab nadzor kontaminacije zavara. Zato je bilo nužno pojedine dijelove korejskih sektora brusiti i ponovno zavarivati, pogotovo vanjske dijelove, u kojima su u sam materijal navarene rashladne cijevi za vodu. Kad se korejske dijelove počelo spuštati u tokamak rupu, kružni bunker oko centralne zavojnice koju su isporučili Amerikanci, uspostavilo se da postoje problemi sa sektorima, i trebalo ih je vaditi van i servisirati."

Za razliku od CERN-a, u kojemu postoji zajednički fond, i onda uprava na temelju odluke kupuje najbolje, na projektu ITER-a svi žele dio tehnologije.

Tonči Tadić: "Praktično nema načina da se zna je li kineski iste kvalitete kao ruski supravodič, i jesu li pravih specifikacija koje su postavljene. Provode se testiranja, nakon kojih se utvrdi je li ili nije OK. Već ta kompleksnost milijuna komponenti, zasebni dobavljači iz osam zemalja, politički osjetljivi prigovori oko opreme, čudan menadžment prvih sedam godina projekta, koji se sada konsolidira – sve to rezultira kašnjenjem ITER-a, koji je i bez toga nedvojbeno kompleksan projekt."

Osim toga, francuski regulator inzistira na nuklearnoj kulturi u cijeloj priči, i želi posebne uvjete sigurnosti, s obzirom na to da se radi o triciju i nuklearnim reakcijama.

Tonči Tadić: "Cijeli fuzijski reaktor sjedi na golemom postolju od masivnog armiranog betona, koji stoji na 140 betonsko-gumenih odstojnika kako bi se smanjila vibracija, tako da čitava zgrada lebdi unutar druge zgrade."

"Ono što je za Hrvatsku specifično jest naš angažman na fuzijskim materijalima, odnosno na projektu DONES, i na svemu što se tiče razvoja materijala za ekstremne uvjete." Tonči Tadić

Kada stiže fuzijska elektrana?

Poznati hrvatski fizičar s IRB-a dao nam je i trenutačni raspored aktivnosti, prema trenutačnoj situaciji na terenu.

Tonči Tadić: "Prva plazma u ITER-u očekuje se 2032., a onda prema planu kao i dosad, da se do 2035. godine ide na deuterij-tricij reakciju, kako bi se stigao postavljen rok za fuzijsku elektranu, koja će biti na mreži do 2050. godine.

Dakle, ideja je da se ima barem deset godina za eksperimente na ITER-u. U međuvremenu bi do 2032. godine trebao biti kompletiran DONES, a do 2035. godine trebali bi biti gotovi svi eksperimenti na DONES-u. Te godine DONES bi trebao početi s ozračivanjem prve serije uzoraka, tako da za pet godina, do kraja sljedećeg desetljeća, imamo informaciju od čega graditi elektranu.

U tom smislu, svakako treba spomenuti dvije inicijative na razini EU. Prva je da EU konačno pripremi svoju fuzijsku strategiju, dakle, strateški dokument usvojen od Europskog vijeća i Europskog parlamenta, s rokovima i novcem za fuziju, zaključno s gradnjom europske fuzijske elektrane DEMO. Zasad, naime, postoji samo EU Fusion Roadmap u vidu smjernica, no on se doživljava više kao znanstvenička vizija razvoja fuzije, a ne kao obvezujuća strategija. Činjenica je da će do 2028. SAD objaviti svoju fuzijsku strategiju pa će to ubrzati donošenje i europske fuzijske strategije.

Druga inicijativa tiče se uključivanja europskog poslovnog sektora u fuziju. Name, raste svijest da fuzijsku elektranu DEMO neće graditi ni instituti niti sveučilišta, nego privatni sektor, točnije kompanije s referencama na gradnji velikih nuklearki, odnosno s referencama iz velikih fuzijskih projekata ITER i DONES. Vjerojatno će se ići na neku vrstu javno-privatnog partnerstva. Bio sam među prvima koji su najavljivali mogućnost javno-privatnog partnerstva u fuziji, dok se sada u Euroatomu naveliko o tome govori.

Rad na DONESU doista je velika stvar, koja je promijenila percepciju Hrvatske unutar Euroatoma. To što smo sposobni pokrenuti takav projekt i to što imamo kompanije koje mogu proizvesti dijelove za DONES, ili koje rade na ITERU, znači da imamo kompanije koje su spremne za sudjelovanje na gradnji fuzijske elektrane DEMO."

No čak i ako ITER bude veliki uspjeh, i dobije plazmu koja prijeđe u nuklearnu fazu, te se iz deuterij-tricij reakcije dobije goruća plazma, dakle, stabilna fuzijska reakcija koja daje tri do pet puta veći izlaz energije, to ne znači i dalje nuklearnu elektranu. Tadić smatra da će za taj pothvat tadašnji direktor ITER-a nesumnjivo dobiti Nobelovu nagradu, jer radi se o epohalnom dostignuću, no za elektranu treba riješiti dodatne probleme.

Tonči Tadić: "Za njenu realizaciju trebate imati još neke stvari. U prvom redu, nužno je zajamčiti proizvodnju tricija u elektrani. Svaka elektrana trebala bi dobiti početni kapital tricija, ali onda će ga trebati samostalno proizvoditi u svojem radu, njega nema u prirodi. Uz proizvodnju tricija, nužno je razviti elektroniku i sustave otporne na intenzivno neutronsko i gama zračenje, slično onom na površini Sunca, i testirati materijale za fuzijsku elektranu. Volio bih da mi budemo u toj prvoj skupini, da imamo kompanije sposobne za gradnju fuzijske elektrane DEMO, i koje mogu sudjelovati u gradnji fuzijske elektrane, bilo da su sudjelovale u DONES-u, bilo u ITER-u."

Rekord dobivene energije

No, vratimo se na povod za cijelu priču. Jedan od trenutačno najvećih operativnih tokamaka na svijetu, spomenuti JET, koji se nalazi u Engleskoj, stvorio je u posljednjem eksperimentu 69 megadžula, što je rekordni iznos u dosadašnjim nastojanjima. To i dalje nije energija veća od one koja je uložena da bi do fuzije došlo, ali značajan je napredak u odnosu na 1997. godinu, kada je pokrenuta prva fuzijska reakcija, koja je trajala sekundu i pol. Nakon te, početne godine, u kojoj je energetska bilanca bila daleko ispod energije uložene u fuziju, eksperimenti su ponavljani 2013., 2021. i 2023. godine, svaki put s boljim rezultatima. Plazmu u tokamaku drži se snažnim magnetskim poljima, dovoljno udaljenu od stijenki reaktora da ne dođe do njihova oštećenja zbog temperatura koje dosižu 150 milijuna stupnjeva. Malo dublji uvid u kronologiju JET-ovih fuzijskih eksperimenata razjasnio nam je Tonči Tadić.

Tonči Tadić: "Razlika u odnosu na 1997. godinu, u tome je što se u posljednjih deset godina odustalo od zida temeljenog na pločama od kompozitnih karbonskih vlakana. One su bile porozne i upijale puno goriva, fuzijskog plina i stvarale goleme količine prašine kad ih je plazma pogodila.

Zato se u sljedećoj kampanji išlo na zid of volframa, koji je ispred sebe imao berilijske limitere kao odbojnike, tako da plazma koja kruži u tokamaku ne zahvati stijenke. Računalo se na to da je volfram težak, kako je njegova prašina teška, i da će to ohladiti plazmu, pa neka radije zakači berilij. Iako je berilijske prašine bilo relativno malo, nekoliko žlica u odnosu na kubne decimetre prašine u prošlim eksperimentima, problem je to što je ona otrovna, i to dovodi do drugačijeg načina rada."

Vrijedna IRB ispitivanja

Osim problema otrovnosti, jedna od velikih dvojbi bila je koliko berilijska prašina apsorbira gorivo.

Tonči Tadić: "Ta dvojba riješena je na IRB-u, uz pomoć kolega iz Švedske, Poljske i Britanije. Glavne analize rađene su kod nas, s fokusiranim snopom helija 3 na mikronske dimenzije, koji je omogućio analizu pojedinih čestica prašine. Iz tih naših istraživanja od 2015 do 2019. godine, zaključilo se da prašina iz bilo kojeg dijela fuzijskog reaktora JET ne sadrži gorivo, doslovno niti u tragovima, pa se stoga može ići na uvođenje veće količine goriva, bez straha da će ono biti apsorbirano u stijenkama fuzijskog reaktora."

Rezultat i tih istraživanja poslužio je EUROfusionu da u JET-u krajem 2012. godine dobije rezultat od 59 megadžula. Unatoč uspjehu, ostao je problem berilijske prašine.

Tonči Tadić: "Ako na JET-u imate nekoliko žlica prašine u pulsovima od 15 sekundi, i u volumenu od 80 kubnih metara, na deset puta većem tokamaku (ITER) u pulsovima od pola sata, radit će se o stotinama kilograma berilijske prašine, i to je neodrživo."

Stoga su znanstvenici okupljeni oko projekta išli na uklanjanje berilija iz stijenki, a dio razloga je to što se u međuvremenu dosta naučilo o kontroli fuzijske plazme.

Tonči Tadić: "Ona se ponaša slično kao na Suncu, i ima izboje koji se na JET-u zovu ELM (Edge Localized Mode). Jedan takav ELM može udariti u stijenku i stvoriti prašinu. Pokazalo se da se ELM-ove može kontrolirati vještim podešavanjem zavojnica, odnosno magnetskih polja u korektivnim zavojnicama oko tokamaka, te preciznim ubacivanjem smrznutih kuglica vodika, koje bi hladile točno to područje gdje bi se pojavio ELM. To je omogućilo da se može ići na još veću energiju dobivenu iz fuzije, onih od 69 kilodžula."

Taj posljednji eksperiment i dalje nije dao energiju veću od one uložene u grijanje plazme.

Tonči Tadić: "Ipak, reakcija je trajala punih šest sekundi, vrlo stabilno i s dokazom da je ono što je naučeno prije dvije godine, ponovljeno bez problema, s još boljim rezultatom i kontrolom plazme, kao i da berilij nije potreban. Te dobre vijesti najavljuju dobar rad ITER-a sa zidom od volframskih ploča jednog dana kada on bude završen."

Što rade domaće snage?

Hrvatska fuzijska istraživačka jedinica, u kojoj sudjeluje više ustanova iz Hrvatske, orijentirala se na nekoliko područja. DONES, kao projekt paralelan s ITEROM, jedna je od značajnih stepenica do fuzije. Institut Ruđer Bošković sa španjolskim kolegama sudjeluje u vođenju cijelog projekta.

Tonči Tadić: "Jedno je istraživanje međudjelovanja fuzijske plazme sa stijenkama, analiza uzoraka stijenki fuzijskih reaktora, zatim analiza čestice fuzijske prašine, koja je vitalna za sve tokamake u Europi, tako da surađujemo i s njemačkim i francuskim kolegama, pa matematičko modeliranje, u čemu prednjače kolege sa splitskog FESB-a, koji su razvili modeliranje magnetskih polja za ITER s francuskim kolegama. Također, tu je razvoj elektronike i detektora zračenja za ekstremne uvjete, dakle, detektora iona temeljenih na umjetnim dijamantima, koji rade na 450 stupnjeva. To smo razvili na IRB-u, no još nismo dobili potvrdu da će ITER to koristiti.

Nažalost, Hrvatska skoro i da nema dodirne točke s JET-om, osim naših nastojanja da radimo na analizi čestica. Kod nas nikada nije zaživjela fizika plazme visokih temperatura, nego samo fizika hladne plazme. Bazirali smo se i baziramo se na matematičkom modeliranju i na analizi čestica, što nije malo, jer većina zemalja članica ove veličine orijentira se na jedan ili dva problema."

Hrvatski roboti za fuzijske elektrane

Osim IRB-a, niz je drugih institucija i tvrtki radilo ili radi na projektima vezanim uz fuziju. Svoju stručnost iz fisijskih projekata iskoristio je Inetec.

Duško Čorak: "Mi smo dobili taj projekt da napravimo robotske sustave za ispitivanje svih sustava koji su vezani za samu vakuumsku/reaktorsku posudu u kojoj se održava fuzija.

Imamo oko deset robotskih sustava, koji trebaju ispitivati neovisno pojedine segmente tog sustava. Naši sustavi koriste metode ultrazvuka ili vrtložnih struja, da možemo ispitati strukture koje su tamo napravljene, te kako bismo vidjeli dolazi li u vrijeme izgradnje i za vrijeme eksploatacije do određenih anomalija ili degradacijskih procesa, koji su uzrokovani fuzijskim procesom. Tu se posebno prate različiti materijali korišteni u izradi vakuumske posude i drugih sustava, te ako dođe do degradacijskih procesa, komponente bi se trebale popravljati ili zamijeniti novim materijalima koji su pogodniji od onoga što je prvotno ugrađeno u ITER. Kako bismo sve to mogli testirati, mi u laboratoriju imamo makete segmenata pojedinih sektora ITER-a, i na njima isprobavamo sposobnost tih robotskih sustava kako bi mogli kvalitetno obaviti inspekciju tih komponenti."

Tvrtka je uključena i u projekt DONES, s obzirom na to da radi na daljinskom upravljanju, odnosno manipulacijom robotima.

Duško Čorak: "U DONES-u postoji mnogo sustava kojima se treba daljinski upravljati, pogotovo u fazi eksploatacije, da ljudi ne budu izloženi zračenju, i mi smo radili na projektu da osmislimo centralni kran, koji je ključan u fazi montaže opreme, i kasnije u održavanju sustava.

S Fakultetom strojarstva i brodogradnje osmislili smo koncept, a realizacija komponenti bit će upućena na javni natječaj, na kojem će biti odabrane tvrtke koje će imati veliko iskustvo."