Američko ministarstvo energetike izvestilo je o velikom naučnom otkriću u nauci o nuklearnoj fuziji u decembru 2022. Po prvi put, više energije je oslobođeno iz reakcije fuzije nego što je utrošeno da se ona zapali.
Iako je ovo dostignuće zaista istorijsko, važno je zastati i razmisliti o budućem putu energije fuzije.
Mi smo profesori inženjerstva održive i obnovljive energije na Univerzitetu Karleton, gde istražujemo alternativne energetske tehnologije i sisteme koji nas mogu pomeriti u budućnost sa niskim sadržajem ugljenika.
Takođe učimo naše studente kako da se kreću na podmuklom terenu od laboratorijskih nalaza do aplikacija u stvarnom svetu.
Ostaje da se vidi efikasnost potencijalne elektrane fuzione energije. Prijavljeni neto dobitak fuzije zapravo je zahtevao oko 300 megadžula ulazne energije, što nije bilo uključeno u proračun dobitka energije. Ovaj unos energije, potreban za napajanje 192 lasera, dolazi iz električne mreže.
Drugim rečima, eksperiment je potrošio toliko energije koliko i tipično kanadsko domaćinstvo za dva dana. Pri tome, reakcija fuzije daje dovoljno energije da upali samo 14 sijalica sa žarnom niti na sat vremena.
Isto važi i za nuklearnu fisiju, koja je reakcija unutar trenutnih nuklearnih elektrana. Potpuna fisija jednog kilograma uranijuma-235 — fisione komponente nuklearnog goriva — može proizvesti oko 77 teradžula. Ali ne možemo svu tu energiju pretvoriti u korisne oblike kao što su toplota i električna energija.
Umesto toga, moramo da konstruišemo složen sistem koji može da kontroliše lančanu reakciju nuklearne fisije i pretvori generisanu energiju u korisnije oblike.
To je ono što rade nuklearne elektrane – one iskorištavaju toplotu stvorenu tokom reakcija nuklearne fisije da bi napravili paru. Ova para pokreće turbinu povezanu sa generatorom električne energije, koji proizvodi električnu energiju. Ukupna efikasnost ciklusa je manja od 40%.
Pored toga, ne sagoreva sav uranijum u gorivu. Upotrebljeno gorivo i dalje sadrži oko 96% svog ukupnog uranijuma i oko petinu svog fisivnog sadržaja uranijuma-235.
Povećanje količine uranijuma potrošenog u našoj trenutnoj floti je moguće – to je stalna sfera rada – ali to predstavlja ogromne inženjerske izazove. Ogroman energetski potencijal nuklearnog goriva trenutno je ublažen inženjerskim izazovima pretvaranja te energije u koristan oblik.
Do nedavno, na fuziju se gledalo prvenstveno kao na naučni eksperiment, a ne kao inženjerski izazov. Ovo se brzo menja i regulatori sada istražuju kako bi se primena mogla odvijati u stvarnom svetu.
Bez obzira na efikasnost buduće fuzione elektrane, pretvaranje energetske konverzije iz osnovne nauke u stvarni svet zahtevaće prevazilaženje mnoštva izazova.
Pošto se fisija suočila sa mnogim istim izazovima kao i fuzija sada, možemo mnogo naučiti iz njene istorije. Fisija je takođe morala da pređe iz nauke u inženjerstvo pre nego što je komercijalna industrija mogla da krene.
Nauka o energiji fuzije, kao i nuklearna fisija, ukorenjena je u nastojanjima da se razvije nuklearno oružje. Naime, nekoliko nuklearnih fizičara koji su pomogli u razvoju nuklearne bombe hteli su da „dokažu da ovo otkriće nije bilo samo oružje“.
Rana istorija nuklearne energije bila je puna optimizma — izjava da će tehnologija napredovati i biti u stanju da zadovolji naše potrebe za sve većim količinama energije. Na kraju bi se pojavila snaga fuzije i električna energija bi postala „previše jeftina za merenje“.
Šta smo naučili u proteklih 70 godina od početka nuklearne energije? Prvo, naučili smo o potencijalno razornom riziku vezanom za tehnologiju, koji se dešava kada industrija postane zavisna od određenog proizvoda ili sistema.
Današnji fisioni reaktori lake vode — reaktori koji koriste normalnu vodu za razliku od vode obogaćene izotopom vodonika — primer su ovoga. Nisu izabrani zato što su bili najpoželjniji, već iz drugih razloga.
Ovi faktori uključuju vladine subvencije koje su favorizovale ove dizajne; interesovanje američke mornarice za razvoj manjih reaktora sa vodom pod pritiskom za podmornice i površinske ratne brodove; napredak u tehnologiji obogaćivanja uranijuma kao rezultat američkog programa nuklearnog naoružanja; neizvesnosti u vezi sa nuklearnim troškovima koje su dovele do pretpostavke da su veliki lakovodni reaktori jednostavno uvećane verzije manjih; i konzervativizam u pogledu izbora dizajna s obzirom na visoke troškove i rizike povezane sa razvojem nuklearne energije.
Od tada se borimo da pređemo na druge tehnologije.
Drugo, naučili smo da je veličina važna. Izgradnja velikih reaktora po jedinici kapaciteta košta više od manjih jedinica. Drugim rečima, inženjeri su pogrešno razumeli koncept ekonomije obima i u tom procesu osudili svoju industriju na propast.
Veliki infrastrukturni projekti su izuzetno složeni sistemi koji se oslanjaju na ogromnu radnu snagu i koordinaciju. Njima se može upravljati, ali obično prelaze budžet i kasne sa rasporedom. Modularne tehnologije pokazuju bolju pristupačnost, kontrolu troškova i ekonomičnost, ali će mikro i mali nuklearni reaktori takođe biti ekonomski izazovni.
Treće, moraju se razviti regulatorni režimi za fuziju. Ako se industrija prebrzo spoji oko dizajna prve generacije, posledice po regulaciju budućih reaktora mogu biti ozbiljne.
Četvrto, odabir lokacija za nove elektrane i društveno prihvatanje su ključni. Fuzija je u prednosti jer je njena tehnologija više prazna ploča nego fisija kada je u pitanju javno mnjenje. Pozitivne asocijacije koje javnost ima sa fuzijom moraju se održavati razboritim dizajnerskim odlukama i usvajanjem najboljih praksi za angažovanje zajednice.
Isto važi i za to kako će industrija odlučiti da se nosi sa izazovom otpada. Fuzioni reaktori stvaraju velike količine otpada, iako to nije ista vrsta fisije.
Naše istraživanje o inovacijama u nuklearnoj energiji otkriva da se izazovi sa kojima se suočava nuklearna fuzija mogu prevazići, ali oni zahtevaju razborito vođstvo, decenije istraživanja, značajne količine finansiranja i fokusiranje na razvoj tehnologije.
Milijarde dolara su potrebne za unapređenje tehnologije nuklearne fisije, a mi imamo daleko više iskustva sa fisijom nego sa fuzijom. Vlade, elektroprivredna preduzeća i preduzetnici moraju pokazati apetit za finansiranjem.
Fusion-ovo obećanje je ogromno i u toku je uzbudljiv posao na njegovom unapređenju izvan ovog nedavnog otkrića, uključujući privatne kompanije. Potrebne su decenije istraživanja i razvoja pre nego što fuzija može značajno doprineti našem energetskom sistemu.
Naša centralna poruka je poziv na akciju: inženjeri fuzije, istraživači, industrija i vlada moraju da se organizuju da istraže i ublaže izazove sa kojima se suočava fuzija, uključujući i dizajn prve generacije elektrana.
Ne postoji zamena za duboku i brzu dekarbonizaciju energetskog sistema ako želimo da sačuvamo našu planetu od klimatske katastrofe. Ponosni smo što obučavamo sledeću generaciju energetskih inženjera da dizajniraju nova i bolja energetska rešenja.
