Kada je Thomas Malthus na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće objavio svoju teoriju o tome kako stanovništvo ima eksponencijalan, a proizvodnja hrane linearan rast, zaključio je da je neizbježna nadolazeća katastrofa u kojoj će bolesti, glad, ratovi i nestašica hrane smanjiti broj ljudi na Zemlji. Do katastrofe međutim nije došlo. Umjesto toga, došle su industrijska revolucija i nove tehnologije u proizvodnji hrane. I nije to bila jedina kriza koja je uspješno riješena. Optimisti se s pravom nadaju da ćemo također uspješno riješiti i ovu krizu pred kojom se sada nalazimo. Problem je ovog puta da ne znamo kako. Prvi put se, otkako smo gospodari svijeta, nalazimo istovremeno usred klimatskih promjena, s ogromnim potrebama za energijom i uz neprestan rast populacije koja trenutno broji osam milijardi ljudi. Da li ćemo i ovu krizu uspjeti prevladati? Mnogo se nade polaže u nuklearnu fuziju koja bi trebala postati neiscrpan izvor čiste energije. Pitanje je također ako i uspijemo napraviti fuzijske elektrane, hoćemo li to uspjeti načiniti na vrijeme.

Da bismo usporili klimatske promjene, morali bismo se prebaciti s fosilnih goriva na alternativna rješenja. Nažalost, pesimist u meni govori mi da dok postoji i posljednja litra nafte i posljednji kilogram ugljena, svemoćne multinacionalne kompanije će ih koristiti, a cijena će biti rast stakleničkih plinova u atmosferi i povećanje prosječne temperature planeta iznad ciljanih 1,5 Celzijevih stupnjeva. I nisu samo te kompanije krivci za to. Tu je prije svega potreba za energijom u svim zemljama svijeta, posebno u onima koje izlaze iz siromaštva i trebaju razvoj i implementaciju novih tehnologija te povećanu proizvodnju hrane.

ITER, golemo postrojenje u kojem se radi s velikom količinom plazme, gradi se u Francuskoj. Početak operacije očekuje se 2025. godine. Krajnji je cilj postizanje fuzijske reakcije koja će dati deset puta više energije nego što je uloženo u plazmu

U drugoj polovici 20. stoljeća ozbiljnu alternativu fosilnim gorivima predstavljale su nuklearne elektrane. Njihovi reaktori bazirali su se na reakciji cijepanja atoma – fisiji – i u nekim zemljama su proizvodile značajan udio električne energije. Strah od problema povezanih sa sigurnošću nuklearnih elektrana i enormnom dugovječnošću njihovog radioaktivnog otpada pokrenuo je ekološke pokrete koji su uspjeli u zapadnoj Evropi zaustaviti izgradnju novih postrojenja i gašenje postojećih. To je, nažalost, rezultiralo i prestankom rada na istraživanju novih rješenja i materijala za njihovu izradu. Danas, kada fosilna goriva nedvojbeno predstavljaju problem, mnogi zazivaju izgradnju novih nuklearnih postrojenja baziranih na fisiji, barem kao prijelazno rješenje dok se ne savlada tehnologija fuzijskih elektrana. Alternativni izvori kao što su vjetroelektrane i fotonaponske elektrane već imaju svoju važnost, ali i probleme, te ne predstavljaju globalno rješenje. Vodni kapaciteti gotovo su sasvim iscrpljeni, a gradnja novih mogla bi značajno negativno utjecati na okoliš.

Prošle godine početkom prosinca održana je u Dubaiju Konferencija o klimatskim promjenama, COP 28, koju je sazvala Organizacija ujedinjenih nacija. Na njoj su Sjedinjene Američke Države objavile svoju inicijativu za osnivanje međunarodnog konzorcija s ciljem da se nuklearna fuzija dovede do komercijalizacije. Ne treba se čuditi da političari vole otkrivati toplu vodu, jer takav konzorcij već postoji, i to ne jedan, ali se treba čuditi da ne znaju da već postoje deseci različitih javnih, javno-privatnih i privatnih inicijativa u različitim zemljama, i to s vrlo različitim tehnološkim pristupima.

Sunce nam je najbliži fuzijski reaktor. U njemu se pod ogromnim gravitacijskim tlakom atomi vodika spajaju u atome helija i pritom se oslobađa ogromna količina energije. Zapravo, u samoj jezgri atomi vodika i helija u stanju su koje zovemo plazma, to jest elektroni i jezgre se nalaze kao u nekoj juhi i to u slučaju Sunca na temperaturi od nekih 15 milijuna Celzijevih stupnjeva. Kada se Sunce formiralo, u jednom je trenutku tlak njegove mase bio tolik da je u jezgri došlo do ogromnog povećanja temperature i početka fuzije protona (jezgri vodikovih atoma) u jezgru helijevih atoma. Početak tog procesa zovemo paljenje. Nakon paljenja proces se u Suncu nastavio i nastavit će se još nekoliko milijardi godina, sve dok se ne iscrpi gorivo za fuziju.

Kada bismo uspjeli na zemlji ostvariti stabilnu fuziju, mogli bismo imati praktički neprestan izvor čiste energije. Ne bismo se trebali brinuti o rudarenju uranovih ruda i obogaćivanju urana, problemima s ekstremno otrovnim plutonijem i odlaganjem visoko i srednje radioaktivnog otpada te, najvažnije, fuzijski se reaktor ne bi mogao oteti kontroli kao fisijski reaktori. Dovoljno je sjetiti se černobilskog reaktora i straha da se lančana reakcija u njemu neće uspjeti zaustaviti. Pa kako onda stojimo s tom fuzijom?

Još prije točno devedeset godina fizičari Oliphant, Harteck i Rutherford uspjeli su ostvariti prve fuzijske reakcije. Koristeći ubrzivač čestica oni su ispucavali atome deuterija (vodikov atom koji pored protona u jezgri ima i jedan neutron) na metalnu foliju u kojoj su bili atomi litija, deuterija i drugih elemenata. U nizu eksperimenata ustanovili su da se fuzija deuterija i tricija (tricij je vodikov atom koji osim protona ima i dva neutrona u jezgri) odvija na najnižim energijama od svih koje su probali. Maksimum fuzije je bio kod energije jezgara deuterija od 100 keV ili sto tisuća elektronvolti, što odgovara temperaturi od oko milijardu stupnjeva. Naravno da se takve temperature ne mogu postići u nekom reaktoru. Međutim, čuveni fizičar Enrico Fermi deset je godina kasnije zaključio da bi se u plazmi smjese deuterija i tricija na daleko nižim temperaturama uvijek našlo nekoliko čestica dovoljno visoke energije da započnu paljenje, odnosno fuzijski proces. Oslobođena energija potom bi stimulirala daljnju reakciju. On je ocijenio da bi temperatura plazme u reaktoru morala biti oko 50 milijuna stupnjeva.

National Ignition Facility – za stvaranje fuzijskog paljenja laserska energija pretvara se u X-zrake unutar šupljine

Prilikom fuzije dva grama deuterija s tri grama tricija oslobađa se energija od 1700 GW (gigavata ili milijardi vata). Tom se prilikom oslobađa jedan gram neutrona koji preuzimaju 80 posto oslobođene energije i napuštaju plazmu brzinom 1/6 brzine svjetlosti. Dvadeset posto (340 GW) ostaje u plazmi. O kakvoj se količini energije radi najbolje se vidi iz podatka da je ukupna količina električne energije proizvedene iz fosilnih goriva u Evropi 2021. godine bila 970 TWsati (TWh), tisuću milijardi vata po satu. Kada bi se sva ta energija zamijenila fuzijom deuterija i tricija u idealnom slučaju, uz iskorištenje od sto posto, trebalo bi fuzionirati oko šest kilograma tricija. Eto, problem je naizgled riješen. Još jedino treba tu plazmu spriječiti da dođe u kontakt s reaktorskom posudom, jer takvu temperaturu ne može izdržati niti jedan materijal i riješiti problem s visokoenergetskim neutronima koji mogu ozbiljno narušiti stabilnost reaktora.

I tu počinje zabavni dio priče. Sve je u principu bilo jasno, jedino su preostala – i to vrlo teška – inženjerska pitanja. Da bi ih savladali, EU, SAD, Kina, Indija, Japan, Rusija i Južna Koreja osnovali su 2007. konzorcij ITER (na latinskom iter znači "put") s ciljem da riješe pitanje zagrijavanja i zadržavanja plazme u zadanom volumenu, postizanje paljenja fuzijske reakcije i kontrolu oslobođenih neutrona. ITER je zamišljen kao ogroman istraživački fuzijski reaktor koji bi trebao dati odgovore na mnoga od pitanja, a ne kao proizvođač električne energije. Tomu trebaju služiti takozvani demo reaktori i na njima se radi već dugi niz godina, pri čemu su iskustva ITER-a od velike važnosti.

ITER se gradi u Francuskoj. Početak operacije očekuje se 2025. godine. Krajnji je cilj postizanje fuzijske reakcije koja će dati deset puta više energije nego što je uloženo u plazmu. Ukupan se trošak procjenjuje na 35 milijardi eura. ITER je golemo postrojenje, visoko 70 metara, u kojem se radi s velikom količinom plazme. Ona se nalazi u torusu oko kojeg su magneti hlađeni tekućim helijem i dušikom. Magneti su tako dizajnirani da drže plazmu daleko od stijenki reaktora. Plazma se u ITER-u sastoji od smjese deuterija i tricija. Jedan od ciljeva je da se tijekom fuzije koriste nastali neutroni za proizvodnju tricija potrebnoga za nastavak reakcije. Zamišljeno je da ih se eliminira tako da udaraju u omotač od litija, u kojem bi sudaranjem s atomima litija proizvodili atome tricija, a oni bi se potom vraćali u plazmu. Taj omotač ujedno bi zaustavljao neutrone da ne izađu iz reaktora u okolinu. Treba spomenuti da je, za razliku od deuterija kojega ima puno u prirodi, tricij ekstremno rijedak, a i vrijeme raspada (poluživota) je relativno kratko, oko 12,3 godine.

ITER koristi dizajn torusa zvan tokamak. Poboljšana verzija tokamaka koju je posljednjih godina omogućila upotreba umjetne inteligencije je stellarator. Već nekoliko desetaka novonastalih kompanija razvija reaktore s tim tehnologijama, s ciljem da u sljedećih desetak godina budu priključeni na mrežu. Svi ti reaktori znatno su manjih dimenzija od ITER-a pa su troškovno privlačniji. Stoga su i privukli jako puno investicijskog kapitala iz raznih izvora.

Nedavno je svjetsku javnost uzbudila objava da je u eksperimentima u postrojenju National Ignition Facility u SAD-u prvi put fuzijom dobiveno više energije nego što je u fuziju uloženo. U tim eksperimentima korišteni su najjači laseri na svijetu, njih 192. Oni su ubacivali energiju u malu tabletu koja je sadržavala smjesu deuterija i tricija, čija je početna gustoća bila kao ona što je ima voda. Laseri su doveli do implozije smjese i do povećanja gustoće od stotinjak puta veće od one od olova, uz porast temperature od nekoliko stotina milijuna stupnjeva. U tim uvjetima, u kratkom periodu prije ekspanzije plazme, dolazi do fuzije i oslobađanja viška energije. Trebalo je oko četvrt stoljeća istraživanja da se postignu ti rezultati. Nakon tih uspjeha grade se još tri takva eksperimenta kako bi se unaprijedila kontrola fuzijskog procesa i povećala neto energetska dobit. Glavna prednost tog pristupa je da je iskorištenost tricija daleko veća nego u plazmama kontroliranim magnetskim poljima.

Trenutno je na sceni nekoliko desetaka kompanija koje nastoje napraviti fuzijske elektrane koristeći neki od ta dva pristupa ili pak njihovu kombinaciju. U njih je protekle godine uloženo oko pet milijardi dolara, uglavnom privatnog novca. To pokazuje da postoji izvjesna doza optimizma kod ulagača koji očekuju da bi neke od njih mogle postići dovoljno energije da proizvedu električnu energiju. U stvarnosti, niti jedna do sada nije uspjela postići to da fuzijom dobije onoliko energije koliko je u nju uložila, ne računajući troškove kao što su održavanje pogona koji mogu biti jako veliki kada je riječ o snažnim laserima ili ukapljenom heliju. U svakom slučaju, sama činjenica da se velika grupa talentiranih znanstvenika i inženjera bavi tim problemima budi optimizam da će se možda naći drugačija rješenja, ona koja izlaze iz okvira ovih prikazanih. Gotovo sve te kompanije vjeruju da će u idućih deset godina biti priključene na mrežu. Bilo bi sjajno da se to i ostvari, i to u što više varijanti, kako bi se izbjegao monopol do kojeg bi došlo ukoliko privatni kapital ne bi svoj izum dao na raspolaganje cijelom čovječanstvu. Čak i ako se ova očekivanja ostvare u nekom realnom periodu, ostaje pitanje da li će to biti na vrijeme da zaustavimo porast temperature planeta ispod razine koja bi ugrozila život na njoj.