Znanstveni tim koji radi na kineskom projektu tzv. umjetnog Sunca objavio je da je uspio nadmašiti Greenwaldovu granicu, teorijsko ograničenje koje je desetljećima predstavljalo jedan od glavnih izazova u razvoju fuzijskih reaktora. Rezultati, objavljeni u časopisu Science Advances, predstavljaju važan iskorak u razumijevanju i kontroli nuklearne fuzije – procesa koji pokreće Sunce i ostale zvijezde.

Nuklearna fuzija temelji se na spajanju jezgri lakih elemenata, pri čemu se oslobađaju goleme količine energije. U idealnom scenariju kontrolirana fuzija mogla bi proizvesti višestruko više energije nego fosilna goriva, ali i znatno više nego fisija, danas korištena u nuklearnim elektranama. Uz to, fuzija ne proizvodi stakleničke plinove i stvara znatno manje dugotrajnog radioaktivnog otpada, zbog čega se smatra jednim od najperspektivnijih budućih izvora energije.

Eksperimentalni napredni supervodljivi tokamak, poznat pod kraticom EAST, nalazi se u gradu Hefeiju na istoku Kine. Reaktor je u pogonu od 2006. godine i služi kao otvorena istraživačka platforma na kojoj kineski i međunarodni znanstvenici testiraju tehnologije povezane s fuzijom i ponašanjem plazme u ekstremnim uvjetima.

Zašto je fuzija toliko zahtjevna i što su Kinezi postigli?

Iako se osnovna reakcija čini jednostavnom – spajanje vodikovih izotopa deuterija i tricija u helij – uvjeti za njezino ostvarenje iznimno su složeni. Gorivo mora biti pretvoreno u plazmu i zagrijano na temperature veće od 150 milijuna stupnjeva Celzija, a zatim dovoljno dugo zadržano bez dodira sa stijenkama reaktora. To se postiže snažnim magnetskim poljima u tokamacima, uređajima čiji su koncept sredinom 20. stoljeća razvili sovjetski fizičari.

Jedan od ključnih problema u tom procesu je Greenwaldova granica, a nju je krajem 1980-ih definirao američki fizičar Martin Greenwald. Ona opisuje maksimalnu gustoću plazme koju je moguće održati u tokamaku bez destabilizacije i naglih izboja koji mogu oštetiti reaktor.

Kineski istraživači već su ranije pomaknuli granice trajanja stabilne plazme – prošle godine EAST je zadržao plazmu više od 1000 sekundi, što je više nego dvostruko dulje od prethodnog rekorda. Sada su otišli korak dalje: uspjeli su postići gustoće plazme 30 do 65 posto veće od uobičajenih radnih vrijednosti reaktora, i to iznad Greenwaldove granice.

'Ovi su rezultati vrlo obećavajući i svakako ih treba provjeriti i u drugim tokamacima', izjavio je za Nature Jeronimo Olaya, stručnjak za fuziju iz Francuske komisije za alternativne energije i atomsku energiju, koji nije sudjelovao u istraživanju.

Zašto je to važno?

Kako za Jutarnji list objašnjava dr. Tonči Tadić s Instituta Ruđer Bošković, voditelj hrvatskih fuzijskih aktivnosti i koordinator projektnog tima IFMIF-DONES, povećanje gustoće plazme ključno je za postizanje tzv. goruće plazme, stanja u kojem fuzijska reakcija sama održava potrebnu energiju.

'Veća gustoća plazme znači i veću snagu reaktora. No dodavanje goriva iznad Greenwaldove granice često dovodi do nestabilnosti i izboja plazme, sličnih solarnim protuberancama, koji mogu ozbiljno oštetiti stijenke reaktora', objašnjava Tadić.

Prema njegovim riječima, moguće je da su kineski znanstvenici preciznom kombinacijom magnetskih polja i mikrovalnog zagrijavanja uspjeli povećati gustoću plazme na rubovima tokamaka, gdje se ona inače hladi. 'Fizika plazme još je uvijek područje punog aktivnih istraživanja. Mnogi ključni režimi rada otkriveni su gotovo slučajno, što pokazuje koliko još toga ne znamo', dodaje.

Kompleksan pothvat

Kina je od 2006. godine dio međunarodnog projekta ITER, u kojem sudjeluju i Europska unija, SAD, Japan, Rusija, Indija i Južna Koreja. Cilj projekta je izgradnja najvećeg svjetskog eksperimentalnog fuzijskog reaktora u francuskom Cadaracheu. ITER, čija se vrijednost procjenjuje na oko 22 milijarde eura, smatra se jednim od najkompleksnijih znanstveno-tehnoloških pothvata u povijesti.

Prvi eksperimenti trebali bi započeti sredinom 2030-ih, a nakon 2040. godine planira se gradnja demonstracijske fuzijske elektrane (DEMO). Hrvatska pritom ima važnu ulogu u projektu DONES, postrojenju za testiranje materijala otpornog na ekstremno zračenje, koje se gradi u Andaluziji.