Svijet bez nafte i urana – ruski znanstvenici istražuju čistu i sigurnu proizvodnju nuklearne energije

Prema znanstvenicima, projekt ITER (Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor) dobit će novi, siguran, ekološki prihvatljiv izvor energije, koristeći gotovo neiscrpne rezerve goriva, od kojih bi jedan gram mogao zamijeniti najmanje deset tona ugljikovodika.

U ljeto 2020. čelnici država uključenih u projekt započeli su izgradnju glavnog elementa budućeg reaktora, tokamaka, sustava za zadržavanje plazme i grijanja.

Svijet termonuklearne energije

Termonuklearne reakcije mogu osloboditi ogromnu energiju, ali plazma u kojoj se te reakcije odvijaju ima temperaturu od više desetaka i stotina milijuna stupnjeva, dok materijali otporni na toplinu ne mogu izdržati više od 3.000 do 4.000 stupnjeva.

Znanstvenici su objasnili da je upotreba termonuklearne energije moguća ako se plazma “otkine” sa stijenki reaktora jakim magnetskim poljima. Najbolju magnetsku zamku za termonuklearnu plazmu, tokamak, predložili su sovjetski akademici Saharov i Tamm, početkom pedesetih godina prošlog stoljeća, a prvi je put stvoren na Institutu Kurčatov.

U termonuklearnom reaktoru, za razliku od atomskog, umjesto nuklearne fisije, nuklearna fuzija odvija se pri gustoći plazme sto tisuća puta manjoj od gustoće zraka. Znanstvenici su naglasili da to onemogućava eksplozije, čineći reaktor u osnovi sigurnim. Produkti takvog reaktora bit će bezopasni helij i tritij, koji se zatim koriste za poticanje reakcije.

“ITER je vrata za termonuklearnu energiju kroz koju bi svijet trebao proći”. Riječi su to akademika Evgenija Velihova, inicijatora projekta, počasnog predsjednika Instituta Kurčatov. ITER, rođen sredinom 1980-ih, imao je za cilj demonstrirati mogućnosti korištenja fuzijske energije u industrijskim razmjerima.

Trenutno je u projektu sedam sudionika: EU, Indija, Kina, Republika Koreja, Rusija, SAD i Japan. Sjedište projekta je u Cadaracheu u Francuskoj, blizu gradilišta.

Prema riječima znanstvenika, osim temeljnog konceptualnog i inženjerskog doprinosa projektu ITER, ruski su znanstvenici razvili niz ključnih elemenata, uključujući najnapredniji super-vodljivi kabel i najbolje svjetske žirotrone, uređaje koji zagrijavaju plazmu ultra-frekventnim elektromagnetskim zračenjem.

Izazov s tricijem

ITER će kao gorivo koristiti mješavinu izotopa vodika, deuterija i tricija. Deuterij se može relativno lako dobiti iz vode, dok će se tritij proizvoditi u fuzijskom reaktoru. Kao eksperimentalna instalacija, ITER još neće proizvoditi električnu energiju, ali prema znanstvenicima, jedan gram goriva iz komercijalnih fuzijskih reaktora proizvest će jednaku količinu energije kao 10 do 20 tona ugljikovodika.

Jedan od rizika u radu reaktora bit će nakupljanje radioaktivnog tricija u ispusnoj komori tokamaka; stoga je njegova količina ograničena sigurnosnim standardima. Unutarnji zid komore, izrađen od volframa i berilija, ne akumulira puno tricija, međutim, kako su znanstvenici objasnili, redovno daljinsko praćenje razine tricija nužno je za stabilan rad reaktora.

Ukupna količina ovog izotopa u komori može se odrediti iz bilance dovedenog i evakuiranog plina. Kako bi točnije izmjerili njegov sadržaj u stijenkama reaktora, znanstvenici su odlučili upotrijebiti lasersko zračenje: pod njegovim će se utjecajem na površinskom sloju zida dogoditi svojevrsno “isparavanje”, nakon čega će uslijediti hvatanje i analiza nastalih čestica.

Istraživači s Instituta za laserske i tehnologije plazme Nacionalnog istraživačkog nuklearnog sveučilišta MEPhI, na čelu s Jurijem Gasparjanom, mladim znanstvenikom i izvanrednim profesorom na Odjelu za fiziku plazme, riješit će ovaj ključni problem u laboratoriju, koji je posebno stvoren u 2020. „Naš je zadatak naučiti kako mjeriti koncentraciju svjetlosti i visoko pokretnih izotopa vodika s najmanjim mogućim utjecajem na stijenku reaktora. Planirano je da se ispitivanja provode u laboratorijskim objektima i na tokamaku Globus-M2 na Ioffe institutu”, rekao je znanstvenik.

Opasna prašina

Znanstvenici su objasnili da ideja magnetske toplinske izolacije plazme u toroidnom ili magnetskom polju koje je u obliku krafne, na kojem se temelji tokamak, ne isključuje ulaz čestica i zračenja na stijenke reaktora. Pod njihovim utjecajem makroskopski erozijski proizvodi, jednostavnije, prašina, odvojit će se od zidova.

Izračuni fizičara pokazuju da će se čestice prašine skupljati na dnu komore za pražnjenje tokamaka, što je opasno za reaktor: prašina je opasna zbog mogućnosti izazivanja požara. Osim toga, ona aktivno akumulira radioaktivni tritij.

Kako bi kontrolirali količinu i sastav prašine bez zaustavljanja reaktora, znanstvenici MEPhI, na čelu s profesorom Leonom Begrambekovim, predložili su upotrebu posebne sonde s električnim potencijalom primijenjenim na nju.

U električnom polju između sonde i površine zida, zrna prašine naelektrizirat će se i privući posebnim prijamnikom. Pomičući se iznad površine, sonda će skupljati prašinu poput usisavača, a zatim je kroz posebne brave premjestiti iz reaktora.

Znanstvena avangarda

Središnji tim projekta u Cadaracheu uključio je 1.100 stručnjaka iz svih država sudionica; nekoliko desetaka tisuća znanstvenika i inženjera radi u domaćim timovima.

„MEPhI, posebno Odjel za fiziku plazme, jedan je od aktivnih sudionika u projektu, uključujući obuku osoblja. Više od pola stoljeća naš odjel obučava fiziku vruće plazme i stručnjake za kontrolu termonuklearne fuzije. Naši diplomci rade u središnjem i domaćem timu ITER-a, dok se naši suradnici nalazeu gotovo svakom dijelu svijeta”, rekao je Valeri Kurnaev, voditelj Odjela za fiziku plazme na MEPhI.

U povijesti odjela njegovi su stručnjaci stvorili instalacije za proučavanje interakcije plazme i njezinih komponenata (iona, elektrona, neutralnih atoma) s različitim materijalima. Za opisivanje tih procesa razvijene su teorije i kodovi, a obučen je i velik broj znanstvenika.

Za ITER, stručnjaci odjela već su stvorili metodu za spektroskopsko otkrivanje istjecanja vode u plazmu iz ohlađenih elemenata prvog zida reaktora, metode za proučavanje efekta sjaja pražnjenja čišćenja na prvim zrcalima dijagnostičkih laserskih sustava, kao i sigurnost sita za sakupljače elektromagnetskog zračenja.