Fuzija je prirodni fenomen koji našoj planeti daje veliki deo svoje energije – proizvedene milionima milja daleko u centru našeg Sunca.
Ovde na Zemlji, naučnici pokušavaju da repliciraju vruće i guste uslove koji dovode do fuzije. U centru zvezde, gravitacioni pritisci i visoke temperature — oko 110 miliona stepeni Celzijusa — napajaju i stišću atome dovoljno blizu da spoje njihova jezgra i generišu višak energije.
„Krajnji cilj istraživanja fuzije je da se reprodukuje proces koji se dešava u zvezdama sve vreme“, kaže Arijana Glison, naučni radnik u SLAC Nacionalnoj laboratoriji za ubrzanje Ministarstva energetike. „Dva laka atoma se spajaju i spajaju da bi formirali jedno teže, stabilnije jezgro. Kao rezultat toga, višak mase – jedno jezgro ima manju masu od dva koja su ga formirala – pretvara se u energiju i odnese.“
Ta zaostala masa (m) postaje energija (E) zahvaljujući Ajnštajnovoj čuvenoj E=mc 2 jednačini. Dobijanje fuzije na Zemlji je iznenađujuće jednostavno — i postignuto je mnogo puta tokom poslednjih nekoliko decenija korišćenjem širokog spektra uređaja. Najteži deo je učiniti proces samoodrživim, tako da jedan događaj fuzije pokreće sledeći da stvori održivu, „zapaljenu plazmu“ koja bi na kraju mogla da generiše čistu, bezbednu i obilnu energiju za napajanje električne mreže.
„O ovome možete razmišljati kao o meču“, objašnjava Alan Fraj. direktor projekta za SLAC-ovo pitanje u ekstremnim uslovima Petavatt Upgrade (MEC-U). „Jednom kada se zapali, plamen nastavlja da gori. Na Zemlji moramo da stvorimo prave uslove—veoma visoku gustinu i temperaturu—da bi se proces desio, a jedan od načina da se to uradi je pomoću lasera.“
Unesite energiju inercije fuzije, ili IFE, potencijalni pristup izgradnji komercijalne fuzione elektrane koristeći fuziono gorivo i lasere. IFE je dobio povećanu nacionalnu podršku otkako su naučnici iz Nacionalne laboratorije za paljenje (LLNL) Lorensa Livermora (NIF) više puta demonstrirali reakcije fuzije koje su proizvele neto energetski dobitak po prvi put bilo gde u svetu.
„Sa intenzivnim laserskim zracima postigli smo paljenje, što znači da smo dobili više energije iz fuzione mete nego što je laserska energija uložena u nju“, objasnio je Zigfrid Glencer, profesor nauke o fotonima i direktor odeljenja za nauku o visokoj gustini energije u SLAC-u.
Inercijalna fuzija: kako to funkcioniše
Tehnika korišćena u NIF-u, poznata kao inercijalna fuzija, jedna je od dve osnovne ideje koje se istražuju za stvaranje izvora fuzione energije. Drugi, poznat kao fuzija sa magnetnim zatvaranjem, koristi magnetna polja da sadrži fuziono gorivo u obliku plazme.
Uz inercijsku zatvorenu fuziju, plazma se stvara korišćenjem intenzivnih lasera i male kuglice ispunjene vodonikom – obično deuterijumom i tricijumom, izotopima sa jednim i dva neutrona u jezgru, respektivno. Pelet je okružen laganim materijalom koji isparava napolje kada se zagreva laserima. A kada se to dogodi, postoji čista reakcija unutra, izazivajući imploziju.
„Ovo je u osnovi sferna raketa“, objašnjava Fraj. „Izbacivanjem izduvnih gasova napolje, on pokreće raketu u suprotnom smeru. U ovom slučaju, ispareni materijal na spoljnoj strani peleta gura izotope vodonika unutra prema centru.“
Laseri se moraju tačno primeniti da bi se simetričan udarni talas pomerio ka centru mešavine vodonika – stvarajući temperaturu i gustinu potrebne za pokretanje reakcije fuzije. Događaji paljenja NIF-a koriste 192 laserska zraka da bi stvorili ovu imploziju i izazvali spajanje izotopa.
„Laserska tehnologija i naše razumevanje procesa fuzije su napredovali tako brzo da smo sada u mogućnosti da koristimo lasersko zatvaranje da bismo stvorili zapaljenu plazmu iz svakog događaja fuzije“, rekao je Glison.
Ali još je dug put do toga. Laseri koji se koriste za inercijsku fuzionu energiju moraju biti u stanju da brže ispaljuju i postanu električni efikasniji, kažu stručnjaci.
Laseri u NIF-u su toliko veliki i složeni da mogu da pucaju samo oko tri puta dnevno. Da bismo došli do inercijalnog izvora energije fuzije, rekao je Glencer, „potrebni su nam laseri koji mogu da rade 10 puta u sekundi. Dakle, moramo da spojimo rezultate NIF fuzije sa efikasnim laserskim tehnologijama i tehnologijama ciljanja goriva“.
Fraj koristi analogiju klipa u cilindru automobila da bi opisao kako se pojedinačne reakcije fuzije sabiraju za generisanje trajne snage. „Svaki put kada ubrizgate gorivo i zapalite ga, ono se širi i gura klip u vašem motoru“, rekao je on. „Da bi se vaš automobil pokrenuo, morate to da radite iznova i iznova pri hiljadama obrtaja u minuti – ili desetinama puta u sekundi, a to je upravo ono što treba da uradimo sa inercijskom fuzionom energijom da bismo ga pretvorili u održivu, kontinuiranu , održivi izvor energije.“
„Da bismo dostigli energetski dobitak koji je potreban za pilot postrojenje za fuziju, potrebno je da pređemo sa oko dva puta više energije na izlazu nego u – trenutni dobitak od NIF eksperimenata – na energetski dobitak od 10 do 20 puta više od laserske energije koju ulažemo, “, rekao je Glencer. „Imamo simulacije koje nam pokazuju da to nije nerazuman cilj, ali će biti potrebno mnogo rada da se to postigne.
Štaviše, te trenutne procene energetske dobiti od paljenja ne uključuju svu energiju ili električnu energiju koja je potrebna da se napravi taj laserski snimak. Da biste IFE učinili energetskim rešenjem, potreban vam je ceo sistem ili efikasnost zidnog utikača da se poveća, što će zahtevati napredak u oba smera: više energije iz reakcije fuzije i manje energije u laser, kaže Fraj.
Nedavno najavljeni naučni i tehnološki čvorovi energije inercione fuzije, sponzorisani od strane DOE, okupljaju ekspertizu više institucija kako bi se suočili sa ovim izazovima.
SLAC je partner u dva od tri čvorišta, donoseći laboratorijsku stručnost i sposobnosti u laserskim eksperimentima sa velikom stopom ponavljanja, laserskim sistemima i svim pratećim tehnologijama.
„Jedan uzbudljiv razvoj su novi laserski objekti planirani na Državnom univerzitetu Kolorado i SLAC-u“, kaže Glencer, koji je zamenik direktora RISE čvorišta na čelu sa CSU. Lasersko postrojenje velike snage u CSU i projekat MEC-U u SLAC-ovom Linac koherentnom izvoru svetlosti biće zasnovano na najnovijoj laserskoj arhitekturi i isporučivaće laserske impulse brzinom od 10 snimaka u sekundi.
„LCLS je koristio lasere poslednjih deset godina sa više od 100 snimaka u sekundi, a to znači da imamo veoma jaku tehnološku ekspertizu u izvođenju eksperimenata sa velikom brzinom ponavljanja“, rekao je Glencer. „Razvili smo nove mete, dijagnostiku i detektore koji mogu da iskoriste visoke stope ponavljanja i koji su prilično jedinstveni za ovu oblast i dobro odgovaraju onome što želimo da postignemo sa IFE-om.“
Ali još mnogo toga treba naučiti o tome kako precizno pogoditi metu u centru komore 10 puta u sekundi na način da krhotine mete i snaga fuzije neće uticati ili oštetiti lasere ili ubacivanje mete.
Kao partner u čvorištu STARFIRE koji vodi LLNL, SLAC će doprineti stvaranju detaljnih tehničkih zahteva za laserske sisteme za IFE koji su usko povezani sa onima koji će biti izgrađeni za projekat MEC-U koji je u toku u SLAC-u, kaže Fraj.
„Napredni laseri u MEC-U će koristiti efikasniji način usmeravanja energije u laser i naprednu šemu hlađenja kako bi radili sa većom stopom ponavljanja. Tehnologije koje razvijamo i naučna pitanja na koja možemo da odgovorimo su ubedljivo za IFE.“
Pored toga, ultrajaki rendgenski zraci iz LCLS-a mogu pomoći naučnicima da shvate šta se dešava u vodoničnom gorivu dok prolazi kroz fuziju, ili šta se dešava u materijalu koji je izduvan sa peleta da izazove imploziju.
U stvari, materijali igraju ključnu ulogu u razvoju IFE, kaže Gleason. „Korišćenje lasera za ravnomerno i sferično implodiranje mete je tako teško jer su materijali uvek defektni: postoji dislokacija, defekt, hemijska nehomogenost, hrapavost površine, poroznost na mezoskali. Ukratko, uvek postoje varijacije i defekti u materijala“.
Jedna od stvari zbog kojih je uzbuđena je bolje razumevanje materijala uključenih u IFE na atomskom nivou kako bi se testirali i precizirali modeli fizike za specifične IFE dizajne, rekla je ona.
„U SLAC-u imamo fenomenalne alate da zavirimo duboko u materijale. Razumevanjem fizike nesavršenosti, možemo da pretvorimo njihove ‘nedostatke’ u karakteristike koje se mogu uzeti u obzir u njihovom dizajnu—možemo imati mnogo dugmadi za okretanje u podešavanju kompresije u procesu fuzije“.
Još jedan veliki izazov sa kojim sva tri istraživača žele da se pozabave je izgradnja radne snage neophodne za istraživanje i upravljanje objektima fuzione energije budućnosti.
Čvorišta uključuju finansiranje za učešće studenata, rekao je Glencer. „Obučavaćemo sledeću generaciju naučnika i tehničara da iskoriste prednosti ovih novih sposobnosti.
Fraj i Glison takođe žele da privuku ljude na teren, tako da energija fuzije, kako se razvija, bude inkluzivno preduzeće.
„Biće nam potrebni inženjeri, tehničari, operateri, stručnjaci za ljudske resurse i nabavke, itd.“, rekao je Glison. „Mislim da mnogi mladi ljudi mogu da se okupe iza fuzije i da se osećaju osnaženo radeći nešto što potiskuje klimatsku krizu – žele da vide promenu u svom životu.
Glencer je uveren da hoće. „Ljudi su spekulisali da će biti potrebno 30 godina da se izgradi elektrana fuzione energije, ali nedavni proboj paljenja približio je tu perspektivu stvarnosti. Već smo povećali dobit od fuzije za 1.000 tokom proteklih 10 godina rada u NIF-u“, rekao je.
„Potencijal za čist, pravičan i bogat izvor energije—i sva nauka i tehnologija koja dolazi uz razvoj fuzione energije—veoma je uzbudljiva.“
LCLS je korisnički objekat DOE Office of Science. Čvorišta energije fuzije formirana su u okviru programa istraživanja inercijalne fuzijske energije za nauku i tehnologiju (IFE-STAR).
