Iter - eden najbolj kompleksnih projektov v zgodovini dosegel pomemben mejnik

Namen mednarodnega projekta Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor) je izgradnja največjega eksperimentalnega fuzijskega reaktorja, v katerem bi s pomočjo fuzije ustvarili desetkrat več energije, kot jo dovedejo reaktorju. Tako bi prvič doslej dokazali, da je mogoče s fuzijo kontrolirano pridobivati velike količine energije, je pojasnil vodja Slovenske fuzijske asociacije in raziskovalec na Institutu Jožef Stefan Boštjan Končar.

Na spletni strani projekta Iter so te dni objavili uradno novico, da je polovica del na reaktorju že dokončana. Slednje predstavlja pomemben mejnik v tem ambicioznem projektu, ki zaradi številnih znanstvenih in tehnoloških izzivov ter mednarodne dimenzije predstavlja enega najbolj kompleksnih projektov, brez primere v dosedanji zgodovini, je dejal Končar. Prvi eksperiment v Itru naj bi izvedli v letu 2025.

Energija prihodnosti

Fuzija je po mnenju Končarja zagotovo energija prihodnosti, saj gre za skoraj neomejen vir energije. Gorivo za fuzijsko elektrarno je v osnovi vodik oziroma njegovi izotopi, ki jih je dovolj v morjih in oceanih.

Vodikov izotop devterij, ki je ključen za fuzijsko reakcijo, se v morski vodi nahaja v velikih količinah. "Količina devterija, ki ga pridobimo iz litra vode, tako ustreza približno 350 litrom nafte," je pojasnil Končar.

Posebnost fuzijske energije v primerjavi z drugimi viri energije je v tem, da predstavlja varen, okolju prijazen vir energije. Kot je pojasnil Končar, fuzijske elektrarne ne bodo proizvajale toplogrednih plinov ali škodljivih odpadkov, ki bi dolgoročno obremenjevali okolje.

"Elektrarne bodo tudi varne, gorivo dovajamo v majhnih količinah, v trenutku, ko se zgodi kaj nepredvidljivega, se fuzijska reakcija sama zaustavi. Fuzijsko reakcijo je namreč zelo težko doseči, zato ni možnosti, da bi ušla izpod nadzora".

Kako deluje?

V reaktorju Iter bo potekala fuzija, ki predstavlja enak vir energije, kot ga najdemo v zvezdah in Soncu. Gre za proces zlivanja lahkih vodikovih izotopov, devterija in tritija, pri katerem se sprošča ogromna količina energije.

Zlivanje jeder lahko poteka le pri izjemno visokih temperaturah, pri katerih se jedra atomov in elektroni med seboj ločijo. V reaktorju Iter bo zlivanje potekalo pri 150 milijonih stopinj Celzija, kar je 10-krat več od temperature v jedru Sonca.

Takšne temperature so z današnjimi tehnologijami že dosegljive, v veliki meri je rešen tudi problem prostorskega omejevanja plazme. V takšnih ekstremnih pogojih namreč noben znani material ne bi zdržal stika z vročo plazmo. Gorivo v obliki plazme v reaktorju zato namesto posode zadržuje močno magnetno polje, je pojasnil Končar.

Prve komercialne fuzijske elektrarne šele v drugi polovici stoletja

Iter naj bi bil tehnološko dokončan do leta 2025, 40 let po tem, ko sta se ameriški predsednik Ronald Reagan in sovjetski vodja Mihail Gorbačov dogovorila za vzpostavitev mednarodnega sodelovanja na področju fuzije.

Decembra 2025 je predviden vžig prve plazme, ki predstavlja prvo stopnjo v delovanju Itra kot funkcionalne naprave. Vrhunec druge faze pa bo fuzijska reakcija med tritijem in devterijem, ki naj bi se zgodila 10 let kasneje, torej leta 2035. Točen datum pa je v veliki meri odvisen tudi od politične volje in s tem povezanih finančnih investicij.

Ob začetku projekta, leta 2006, je bil sicer načrtovani čas gradnje reaktorja, ki leži v kraju Cadarache, deset let, predvideni stroški pa pet milijard evrov. Znesek se je do danes, ko je projekt na polovici, že skoraj potrojil.

Za gradnjo Itra naj bi tako 35 držav oziroma sedem partnerjev projekta namenilo približno 22 milijard evrov. Skoraj polovico oziroma 45 odstotkov prispeva Evropska unija, medtem ko Kitajska, Indija, Japonska, Koreja, Rusija in ZDA prispevajo vsaka po devet odstotkov sredstev. Več kot 80 odstotkov sredstev, približno 18 milijard evrov, partnerice prispevajo v obliki komponent reaktorja, ki jih razvijajo same.

V času gradnje reaktorja Iter pa že potekajo tudi priprave na zagon in raziskave za naslednji korak, demonstracijski reaktor Demo, ki bo nasledil eksperimentalni projekt Iter. Demo naj bi predvidoma začel delovati leta 2050. Prve komercialne naprave, ki bodo s pomočjo fuzije ustvarjale elektriko ter bodo namenjene širši uporabi, bi se tako predvidoma pojavile šele v drugi polovici tega stoletja.

Več načinov pridobivanja fuzijske energije

Iter je naprava tipa tokamak, ki ima obliko avtomobilske zračnice oziroma obroča ter omogoča magnetno zadrževanje plazme, v kateri je fuzijsko gorivo. Tokamak je do danes tehnološko najbolj dovršena naprava in je zato glavni kandidat tudi za fuzijsko elektrarno. Po svetu deluje več deset poskusnih fuzijskih reaktorjev tipa tokamak, med katerimi je največji JET (Joint European Torus), ki obratuje blizu Oxforda v Veliki Britaniji.

Obstajajo pa tudi drugi načini pridobivanja fuzijske energije, ki tehnološko še niso na ravni tokamaka, je dejal Končar. Eden izmed drugačnih načinov magnetnega zadrževanja plazme je stelerator, med poznanimi je denimo nemški eksperimentalni stelerator Wendelstein 7-X (W7-X). Vžig plazme lahko dosežemo tudi tako, da s pomočjo visoko energijskih laserskih žarkov močno stisnemo in segrejemo mešanico devterija in tritija. Takšen način so po besedah Končarja najdlje razvili Američani. Nove fuzijske naprave gradijo ali pa nadgrajujejo tudi na Japonskem in Kitajskem.

V projektu sodelujejo tudi Slovenci

V projektu Iter in Demo sodelujejo tudi različne slovenske raziskovalne skupine, največ z Instituta Jožef Stefan, pa tudi s strojne fakultete v Ljubljani, Inštituta za kovinske materiale in tehnologije ter podjetja Cosylab. Združene so pod okriljem Slovenske fuzijske asociacije.

Slovenski znanstveniki so v projekt Iter in Demo po besedah Končarja vključeni na številnih področjih. Glavna področja zajemajo raziskave interakcij med plazmo in steno reaktorja, razvoj novih materialov za obloge sten in procesov v njih, transportne preračune in diagnostiko nevtronov, razvoj in študije hlajenja komponent za reaktor Demo, diagnostiko in modeliranje plazme ter področje modelov in sistemov magnetnega krmiljenja plazme. V zadnjem petletnem programu EUROfusion (2014-2018) so slovenski raziskovalci pridobili približno tri milijone evropskih sredstev.

Prizadevanja za razširitev zavesti o fuziji

Kljub obsegu in ambicioznosti in nenazadnje pomena za prihodnost človeštva je o projektu in fuzijski energiji na sploh, v javnosti zelo malo znanega. V Slovenski fuzijski asociaciji so zato ob novici, da je Iter zgrajen do polovice, na IJS pripravili premierni ogled dokumentarnega filma Let there be light kanadskega režiserja Mila Aung-Thwina.

Film pripoveduje zgodbo o fuzijski energiji, od prvotne ideje o tokamaku ruskega vojaka Olega Lavrientieva do največjega eksperimenta na področju fuzijske energije Iter. Premierno so ga predstavili na letošnjem filmskem festivalu v ameriškem Houstonu.

Kot je v video klicu po premieri na IJS pojasnila predstavnica Itra Sabina Griffith, je bil film pomemben katapult za njihovo delo in prizadevanja na področju komuniciranja pomena projekta in fuzije na sploh.

Tudi v Itru so se namreč v zadnjih letih odločili, da izstopijo iz udobnih kotičkov znanstvenih konferenc ter stopijo pred javnost in se aktivno vključujejo v energetske debate in razširjajo zavest o tem, da "alternativna rešitev energetske dileme obstaja, in da je to fuzijska energija".

V projektu Iter sodeluje tudi slovenski Cosylab

Pri projektu Iter sodeluje tudi slovensko podjetje Cosylab, ki ga je leta 2001 s skupino svojih študentov z IJS ustanovil dr. Mark Pleško. Pri projektu Iter dela 15 inženirjev, večinoma na področju krmilnih sistemov, je povedal podpredsednik za znanstveni trg v podjetju Miroslav Pavleski.

Ekipa Cosylaba za Iter razvija programsko opremo za krmiljenje različnih delov oziroma podsistemov reaktorja. Z novo pogodbo, ki so jo podpisali letos, pa so pridobili tudi sodelovanje na področju daljinskega upravljanja sistemov. Podjetje je po besedah Pavleskega s sodelovanjem v projektu Iter doslej pridobilo že več kot šest milijonov prihodkov. V naslednjih letih pričakujejo povečan obseg dela.

Kot je pojasnil Pavleski, je sodelovanje pri tako obsežnem projektu, ki bo imel pomembne posledice za celotno človeštvo, zelo dobra motivacija za njihove inženirje. Hkrati pa podjetje s sodelovanjem v tem projektu pridobiva izkušnje in reference na področju fuzije, ki bo v naslednjem desetletju zelo pomembno, je menil Pavleski.

Iter sicer ni edini projekt s področja fuzije, v katerem sodeluje Cosylab. Sodelujejo s številnimi fuzijskimi laboratoriji po Evropi in širše. Med drugim skupaj z inštitutom za fiziko plazme v okviru nemške raziskovalne ustanove Max Planck izvajajo projekt za nemški eksperimentalni stelerator Wendelstein 7-X (W7-X). Prizadevajo pa si tudi za okrepitev sodelovanja s priznanim kitajskim inštitutom za fiziko plazme v okviru raziskovalne ustanove Hefei. Na inštitutu želijo namreč v okviru ambicioznega programa za fuzijo izdelati napravo CFETR, ki bo celo večja od Itra, ter bo predstavljala vezni člen med Iterjem in Demom.

V projektu naj bi poleg Cosylaba sodelovali tudi slovenski znanstveniki z IJS, s katerim Cosylab po besedah Pavleskega odlično sodeluje na več področjih, med drugim tudi na projektu Joint European Torus (JET) v Veliki Britaniji.