Kada je Galileo Galilei 1609. godine čuo za instrument kojim se daleki predmet prividno približi oku, odmah je izradio vlastiti primjerak. Prvi instrument napravio je i patentirao godinu dana ranije nizozemski optičar Hans Lippershey, složivši ga od dviju konkavnih i konveksnih leća. Ostvario je povećanje od tri puta. Galileo je unaprijedio dizajn i dobio povećanje od 20 puta. No, puno važnije od toga, Galileo je uperio svoj teleskop u nebo i tako potpuno promijenio sliku svijeta. Od tadašnjeg skromnog optičkog instrumenta napredovali smo do danas toliko da smo razvili vrlo složene teleskope, specijalizirane za posebne dijelove elektromagnetskog spektra. Najmoćniji teleskop, James Webb, smjestili smo milijun i petsto tisuća kilometara daleko od Zemlje i gledamo duboko u prošlost svemira.
Takav razvoj ne bi bio moguć bez razvoja modernih znanosti i inženjerstva. U svim tim razvojima bitnu ulogu su, osim adekvatnog okruženja, odigrali pojedinci koji su svojim idejama i ostvarenjima omogućili civilizaciji da učini po korak naprijed. Upravo sada se nalazimo u sličnoj situaciji kada se radi o razvoju tehnologija za proizvodnju energije bazirane na fuziji. U prošlom tekstu u Novostima ("Nuklearna opcija nade", od 20. siječnja) samo smo spomenuli da postoji velik broj grupa koje rade na različitim tehnologijama komercijalnog postizanja fuzije. Svaka od njih ima neki vlastiti postupak ili rješenje za neki specifični problem. Zadivljujuće je vidjeti koliko je inovativnosti tu ostvareno, bilo u tehnologiji, bilo u smanjivanju troškova.
U suštini postoje dva načina za postizanje fuzije. Jedan se zove magnetsko zarobljavanje plazme, a drugi inercijsko zarobljavanje plazme. U prvom se koriste magnetska polja za manipulaciju plazmom, u drugom se fuzijski reaktanti nalaze u kapsuli koja se potom izlaže ili jakim pulsovima lasera ili nadzvučnom mehaničkom udaru.
Ovdje želimo prikazati nekoliko primjera nedavno osnovanih kompanija koje se bave projektima dobivanja energije iz fuzije. Neke od njih smatraju da njihove tehnologije mogu biti u skoroj budućnosti dovedene do stupnja priključenja na komercijalnu električnu mrežu. Commonwealth Fusion Systems (CFS) kompanija je koja je nastala iz Plasma Science and Fusion Centera na Massachusetts Institute of Technologyju (MIT) u SAD-u. Nju financijski podržavaju privatni investitori. Ključan korak koji je napravila je razvoj novog magneta od 20 T (Tesla, mjerna jedinica gustoće magnetskog toka) koji im omogućava smanjenje za 40 puta dimenzija tokamaka (uređaja koji koristi magnetska polja za zadržavanje i kontrolu ultravruće plazme u kojoj se odvijaju reakcije fuzije). Ti magneti ovalnog su oblika s velikom rupom u sredini. Napravljeni su od visokotemperaturnih vodiča, što znači da struju vode bez otpora i da ih se hladi tekućim dušikom, što je energetski i financijski puno jeftinije od hlađenja tekućim helijem. Međutim, ključno je to da u tokamaku gustoća fuzijske snage raste na četvrtu potenciju u odnosu na snagu magneta. Postoje brojni supravodljivi magneti od kojih se neki upotrebljavaju u dizajnu tokamaka, ali se moraju hladiti helijem i uglavnom su do 4 T. Ukoliko se tokamak dizajnira upotrebom slabijih magneta, npr. elektromagneta, dobivaju se daleko slabija polja i zbog toga njegove dimenzije moraju biti znatno veće.
ITER je primjer takvog dizajna. Slaganjem tih magneta u oblik torusa, formira se ključni dio tokamaka. Što se fizike tiče, CFS koristi velik dio iskustava Joint European Torusa (JET) i ITER-a, kao i drugih istraživanja ponašanja plazme u različitim torusima drugih tokamaka. U CFS-u očekuju da će 2025. proizvoditi više energije nego što su uložili u paljenje fuzijske reakcije i time prijeći u komercijalnu upotrebu. Ukratko, riječ je o revolucionarnom koraku u razvoju magneta i tokamaka, ali još – osim na papiru – nije pokazana čista dobit u energiji.
Helion, još jedna privatna kompanija, ima drugačiji pristup. Ona razvija tehnologiju u kojoj kombinira magnetsko zarobljavanje plazme i inercijski postupak. Njihov uređaj je u osnovi cijev na čijim su krajevima komore sa smjesom deuterija i izotopa helija koji ima samo jedan neutron u jezgri (helij-3). U tim komorama jakim se magnetskim poljima formira i održava plazma tih plinova. Potom se jakim magnetskim pulsom istovremeno ispuca plazma iz obje komore prema središnjem dijelu cijevi gdje dolazi do sudara. Brzina plazme je oko milijun i šesto tisuća kilometara na sat. U području sudara jaka magnetska polja dodatno komprimiraju plazmu koja dosiže temperaturu od sto milijuna kelvina. U tom trenutku dolazi do fuzije i oslobađanja energije. Zbog toga se plazma širi i time povratno djeluje na vanjsko magnetsko polje. Promjena magnetskog polja uzrokuje pojavu električne struje. Tu struju se može direktno povezati s nekim uređajem ili mrežom.
Ovaj pristup vrlo je privlačan jer se preskače dio s vodenom parom i turbinama da se dobije struja. Ipak, tu postoje problemi. Pri temperaturi od sto milijuna kelvina efikasnost fuzije deuterija s helijem-3 tisuću je puta manja od one deuterija s tricijem. Pored toga, ta tehnologija ne zahtijeva posebne obloge za zaustavljanje neutrona, jer ih u principu ne bi smjelo biti, barem prema podacima kreatora uređaja. Naime, fuzijom deuterija i helija-3 nastaje helij-4 (dva protona i dva neutrona u jezgri) i jedan proton. Međutim, u plazmi na tim temperaturama može doći do reakcije spajanja deuterija s deuterijem pri čemu se paralelno stvaraju tricij i proton te helij-3 i neutron. Na temperaturama fuzije od sto milijuna kelvina vjerojatnost reakcije deuterija s deuterijem sedam je puta veća od željene reakcije deuterija s helijem-3. Ipak, može se očekivati da će biti moguće tu tehnologiju redizajnirati povećanjem temperature fuzije na barem 300 milijuna kelvina i promjenom fuzijskih reaktanata u deuterij i tricij.
Do sada ove kompanije nisu uspjele fuzijom proizvesti više energije nego što je u sam proces uloženo. To se zove neto balans. U izračun tu ne ulaze troškovi energije samog pogona. Njihovim uključivanjem dobivamo totalan balans. Totalan pozitivan balans nije do sada postignut ni u jednoj tehnologiji, bila ona komercijalne ili javne, tj. istraživačke prirode. Veliko uzbuđenje izazvali su nedavno naslovi u raznim medijima kako je u laboratoriju Joint European Torusa ostvaren pozitivan neto balans. JET je u svom posljednjem pokusu prije rasformiranja, koje je upravo u toku, uspio u tokamaku ostvariti fuziju u plazmi tricija i deuterija u trajanju od pet sekundi i s pozitivnim neto balansom. JET je ispunio svoju ulogu istraživačkog tokamaka i njegovi rezultati zajedno s rezultatima ITER-a predstavljat će važan dio budućih fuzijskih komercijalnih razvoja fuzijskih elektrana.
Sličnu sudbinu je doživio i National Ignition Facility iz Lawrence Livermore National Laboratoryja (SAD), koji je u posljednjih nekoliko godina nekoliko puta ostvario neto energetski balans. Njihova tehnologija koristi kao metu kapsulu u kojoj je smjesa deuterija i tricija. U nju je bilo fokusirano zračenje 192 ekstremno jaka lasera. Pod utjecajem zračenja smjesa se zagrijavala i sabijala sve do točke početka fuzije. Ako se mjeri samo energija uložena u postizanje fuzije i oslobođena energija, onda je u nekoliko pokusa došlo do značajnog dobitka energije. Međutim, kada se uračuna golema energija za pogon tih lasera, onda je energetski balans u minusu. I ovaj laboratorij je nedavno prestao s daljnjim pokusima i vratio se na osnovnu djelatnost istraživanja novih oružja. Dobivena znanja preuzele su neke kompanije koje pokušavaju razviti komercijalne fuzijske uređaje.
Ovdje smo prikazali po jedan primjer razvoja tehnologija baziranih na magnetskom zarobljavanju, inercijskom zarobljavanju i njihovoj kombinaciji. Takvih novonastalih kompanija, od kojih se većina bazira na novcu privatnih investitora, ima nekoliko desetaka. Niti jedna od njih do sada nije uspjela dobiti pozitivan totalan energetski balans. To ne znači da u budućnosti to neće uspjeti. Možda i hoće i to uskoro, ali onda ostaje problem kako iz tih demo-postrojenja preći na razinu komercijalnih elektrana koje mogu bitno utjecati na totalni energetski balans čovječanstva. Ni optimisti ni pesimisti za sada ne znaju kada bi se to moglo dogoditi. Na sreću, osim fuzije raste svijest o potrebi diverzifikacije izvora "čiste" energije. Tu su odmah pri ruci vjetroelektrane, solarne elektrane i geotermalne elektrane, kao i već tradicionalne hidroelektrane i nuklearke bazirane na fisiji. Pitanje je da li možemo iz tih izvora zadovoljiti dovoljno velik dio neprekidno rastućih zahtjeva za energijom tako da se u razumnom roku značajno smanji potrošnja fosilnih goriva. A razuman rok već kuca na vrata.
