Obnovljivi izvori energije – Nuklearna fuzija na Zemlji

Nuklearna fuzija je proces u kome dolazi do stapanja lakših atomskih jezgara pri čemu se stvaraju teže jezgro i energija. Na Zemlji je moguće stvoriti laboratorijske uslove za dobijanje energije putem fuzije. Najjednostavnija reakcija fuzije koja može da se ostvari u laboratorijskim uslovima je reakcija između deuterijuma i tricijuma, pri čemu nastaju alfa-čestica (helijum) i neutron. Odvijanje reakcije fuzije u laboratorijskim uslovima predstavlja veliki tehnološki izazov.

// Da bi proces fuzije bio moguć, potrebno je savladati odbojne Kulonove sile koje postoje između čestica istoimenog naelektirsanja, a to je jedino moguće ukoliko je temperatura reagujućih gasova dovoljna visoka, i ukoliko se gasovi nalaze pod dovoljno visokim pritiskom.

Pošto na Zemlji nije moguće razviti toliko visoki pritisak koji postoji na Suncu, gasna smeša deuterijuma i tircijuma mora da se zagreva na oko 100 miliona °C, što je šest puta veća temperatura od one koja vlada u Sunčevom jezgru. Visoke temperature omogućavaju odvajanje elektrona iz atoma. Rast temperature povećava kinetičku energiju čestica, one se brže kreću, sve se češće sudaraju i tako gube elektrone. Atomi sa većim atomskim brojem zahtevaju veću temperaturu za stapanje.

// Deuterijum i tricijum su najpogodniji energenti, jer zahtevaju najmanju temperaturu zagrevanja.

Gas u kome su čestice jonizovane i pri tom se kreću velikim brzinama naziva se plazma. Plazma je jako nestabilan sistem, jer elektroni i pozitivno naelektrisana jezgra teže da se što brže udalje jedni od drugih. Zato je potrebno pronaći način da se čestice plazme zadrže u ograničenom prostoru dovoljno dugo, kako bi se više energije oslobodilo u reakciji nego što je iskorišćeno za zagrevanje smeše gasova (održavanje tj. konfinacija plazme). U Sunčevom jezgru postoji gravitaciono zadržavanje plazme uz pomoć jakih gravitacionih sila. Održavanje plazme u laboratorijskim uslovima moguće je ostvariti precizno projektovanim magnetnim poljem (magnetna konfinacija).

Kada se plazma postavi van magnetnog polja, naelektrisane čestice plazme, kreću se u različitim pravcima i udaraju o zidove komore u kojoj se nalaze. To ne samo da dovodi do hlađenja plazme i inhibicije reakcije fuzije, nego ovako zagrejana plazma može da otopi sve do sada poznate materijale. Zato se plazma odvaja od zidova komore snažnim magnetnim poljem posebnih geometrijskih konfiguracija. U magnetnom polju čestice plazme su primorane da se kreću spiralnim putanjama oko magnetnih linija. Najčešće se koristi komora torusnog oblika sa magnetnim poljem (komora oblika krofne sa otvorom u sredini).

// Trenutno postoje samo eksperimentalni fuzioni reaktori na Zemlji i njihov koncept rada je sledeći:

smeša deuterijuma i tricijuma se stavlja u izolovanu reaktorsku komoru i zagreva do termonuklearnih temperatura. U fuzionim reaktorima energija se oslobađa u vidu jezgara helijuma i neutrona. Jezgra helijuma nose 20% energije. Ona ostaju u torusnoj komori i pomažu održavanju temperature plazme, jer se stalno dodaje nova količina nezagrejane gasne smeše. Jezgra helijuma svoju energiju kretanja oslobađaju u sudarima sa česticama tek unete gasne smeše koja se zagreva, jonizuje i tako se održava reakcija fuzije.

Neutroni nose 80% energije i ona se koristi za stvaranje električne energije i tricijuma. Neutroni prolaze kroz tanke vakuumske zidove komore reaktora sa minimalnim gubitkom energije. Njih zatim apsorbuje litijumski omotač koji okružuje fuzioni reaktor. Svoju kinetičku energiju neutroni predaju jezgrima litijuma obrazujući toplotu koja zagreva vodu. Vodena para pokreće klasične parne turbine i stvara se električna energija. Sami neutroni na kraju u reakciji sa litijumom obrazuju tricijum koji se izdvaja i vraća nazad u reaktor.

Da bi se otpočelo komercijalno korišćenje nekog izvora energije, potrebno je da on socijalno i ekološki bude prihvatljiv i da ekonomski bude privlačniji u odnosu na druge energente. Zato postoji verovatnoća da termonuklearna fuzija neće biti komercijalno izvodljiva. Ekonomska održivost energije iz procesa fuzije zavisiće od toga da li može da se takmiči sa troškovima koji su potrebni za razvoj drugih obnovljivih izvora energije. To zavisi od budućeg tehnološkog napretka. Ako se i ostvari komercijalna proizvodnja energije u fuzionim reaktorima, ona će biti nedostupna zemljama u razvoju, jer su potrebna ogromna ulaganja, dobro razvijena infrastruktura i osposobljeni stručnjaci. Ogroman novac se ulaže u projekat razvijanja ove tehnologije. Da bi se testirali novi materijali koji su manje podložni uticajima neutrona, potrebno je izgraditi posebna postrojenja u kojima će se mala količina materijala mesecima izlagati snopovima neutrona. Za izgradnju takvih postrojenja potrebno je nekoliko stotina miliona evra.

Više o obnovljivim izvorima energije:
Obnovljivi izvori energije – osnovna podela
Obnovljivi izvori energije – Solarna energija
Obnovljivi izvori energije – Eolska energija
Obnovljivi izvori energije – Kretanje morske vode i geotermalna energija
Obnovljivi izvori energije – Energija biomase

Autori:
Prof. dr D. Škobalj,
Ž. Đokić, dipl. inž.