— Published on 27/10/2021 / Bug.hr.
Za rijetko se koji znanstveni pojam toliko uvriježilo pogrešno shvaćanje kao za Q-faktor nuklearne fuzije; od popularizacijskih do stručnih tekstova godinama se ponavlja tvrdnja koja je potpuno kriva
Da najprije uklonim mogući nesporazum: nisam antinuklearac, ovo nije tekst protiv nuklearnih elektrana niti protiv nuklearne fuzije. Ovo je tekst koji ima ambiciju ispraviti jedno pogrešno shvaćanje vezano uz nuklearnu fuziju koje se nevjerojatno široko i duboko ukorijenilo, shvaćanje koje je ključno za percepciju nuklearne fuzije kao budućeg spasonosnog izvora energije za čovječanstvo.
Nuklearna fuzija
Odakle Suncu i drugim zvijezdama ogromna energija? U kojim se procesima ta energija oslobađa? Astronome su stoljećima mučila ta pitanja. Onda je krajem 19. stoljeća Lord Kelvin, jedan od najvećih autoriteta u fizici svojeg doba, dao objašnjenje koje je djelovalo obećavajuće: Sunce se s vremenom steže pa se gravitacijska potencijalna energija pretvara u toplinsku energiju. To je moglo objasniti sadašnju snagu Sunca, ali je također predviđalo da je Sunce (pa time i planet Zemlja) staro oko 20, najviše 100, milijuna godina. A to je pak značilo da za biološku evoluciju nije bilo dovoljno vremena. Darwinovi protivnici su likovali.
No, tko se zadnji smije najslađe se smije. Početkom 20. stoljeća Einstein je otkrio da se masa može transformirati u energiju i dao naznaku da bi to moglo objasniti energiju oslobođenu u nuklearnim reakcijama. Onda je 1930. godine slavni fizičar Hans Bethe otkrio kojim nizom nuklearnih reakcija iz vodika nastaje helij u Suncu. Time se precizno mogla ispravno objasniti i snaga Sunca (3,8·1026 W) i starost Sunca (4,6 milijardi godina). Sad su pobornici Darwina mogli reći: „Zar doista nije bilo dovoljno vremena?” Tako je svoju knjigu polemičkih tekstova (Izvori, 2010.) nazvao moj dragi prijatelj, geolog Ivan Gušić. A nakon što je Bethe objasnio izvor energije Sunca fizičari su pitanje: „odakle Suncu energija?” zamijenili pitanjem: „bismo li na Zemlji mogli oponašati Sunce?” Drugim riječima, bismo li mogli napraviti elektranu kojom bismo električnu energiju dobivali iz energije nuklearne fuzije.
Fuzijska elektrana
Sunce je veliki alkemičar. Radi transmutaciju elemenata, pretvorbu jednih kemijskih elemenata u druge (strukovni naziv je nukleosinteza), i pritom oslobađa veliku energiju. Počinje s pretvorbom vodika u helij pa nastavlja s produkcijom kemijskih elemenata sve do željeza. Kemijski element određen je svojom atomskom jezgrom, nukleusom, konkretnije brojem protona u jezgri. Jezgra helija se, primjerice, sastoji od dva protona i dva neutrona i može se proizvesti u nekoliko međukoraka iz lakših jezgara: vodika (čija je jezgra samo proton). Problem je jedino što su jezgre uvijek pozitivno nabijene pa moraju imati veliku kinetičku energiju da bi se mogle dovoljno približiti da se stope ili fuzioniraju. Drugi riječima, mnoštvo jezgara vodika mora biti na vrlo visokoj temperaturi da bi se ostvarila nuklearna fuzija. Koliko je to vrlo visoko? Otprilike kao u središtu Sunca, oko 15 milijuna kelvina (da, mjerna jedinica za temperaturu nazvana je po onom Kelvinu s početka priče koji je kopao rupu Darwinu pa je sam u nju upao).
Q-faktor
Fuzija je nuklearna reakcija u kojoj se lakše jezgre stapaju u teže. Koje lakše? Pa, ima puno mogućnosti. Jedna od najpogodnijih za nuklearni reaktor je fuzija deuterija i tricija. Deuterij je vodikov izotop s jednim neutronom, uz jedan proton. Tricij je drugi vodikov izotop, s dva neutrona i jednim protonom. Zapravo se nuklearna reakcija odvija s jezgrama deuterija i tricija: deuteronom i tritonom.
Temperatura potrebna da se ta reakcija učinkovito odvija je prava sitnica, 150 milijuna kelvina. Možemo li to ostvariti na Zemlji? Možemo! Problem je nešto drugo: kako čuvati tvar zagrijanu na 150 milijuna kelvina. Nema materijala koji bi izdržao dodir s tako nečim. No, postoji rješenje i za to. Tvar na tako visokoj temperaturi je potpuno ionizirana (nazivamo ju plazmom) pa je stoga nabijena. A nabijenu materiju možemo držati magnetskim poljem, u vakuumu, bez dodira sa stijenkama fuzijskog reaktora. I taj problem je već odavno riješen. Ono s čime se fizičari i inženjeri godinama muče zapravo je kako ostvariti energijsku isplativost: dobiti više energije nego što smo uložili.
Uložili? Da. Plazmu treba zagrijati na 150 milijuna kelvina, za to treba uložiti poprilično energije. No, jednom kad pokrenemo nuklearne reakcije fuzije energija će se i oslobađati pa ćemo i dobiti. Ideja komercijalnog reaktora koji pogoni nuklearnu elektranu je očita, da u jedinici vremena dobijemo više energije nego što je smo uložili. Energija u jedinici vremena je snaga pa zapravo uspoređujemo ulaznu i izlaznu snagu. Omjer tih snaga, ili odgovarajućih energija, nazivamo Q-faktorom.
Za jedan od najperspektivnijih nuklearnih fuzijskih reaktora, ITER, često se navodi da je dizajniran da u konačnici postigne Q = 10. Kao, platiš jedan dobiješ deset. Konkretno, ulazna snaga 50 MW, izlazna snaga 500 MW. I to je ta mantra koju ponavljaju svi redom, od laika do eksperata. Ali, postoji kvaka!
Taj Q-faktor 10 koji bi trebao postići je Q-faktor plazme. Za zagrijavanje plazme utrošili smo 50 MW snage, a plazma nam je fuzijom dala 500 MW. Na to misle ITER-ovi istraživači kad kažu Q = 10. No, postoji i drugi Q-faktor, ukupni Q-faktor. On je jednak omjeru ulazne snage i izlazne snage ne samo plazme nego cijele nuklearne elektrane. Na taj faktor misle svi ostali, osim ITER-ovih istraživača.
A taj ukupni Q-faktor je zasad u najboljem slučaju tek 1, ili manji od 1. Što znači, nema energijske isplativosti. Ovakva je otprilike računica. Za 50 MW ulazne snage plazme treba iz elektroenergetskog sustava povući barem 150 MW snage električne energije. To je ulazna snaga. Onda plazma vrati 500 MW od čega 20% ide na novo zagrijavanje plazme, a 80% je izlazna toplina (400 MW). Od te izlazne topline uhvatiti se može otprilike 70% (ostalo je otpadna toplina koja pobjegne van, kroz sustav hlađenja). Dakle, 280 MW topline možemo uhvatiti i pretvoriti u električnu energiju. Ali i tu imamo faktor pretvorbe, u najboljem slučaju 40%. Pa smo završili sa 112 MW snage električne energije koju vraćamo u elektroenergetski sustav. Konačno, dobili smo manje nego što smo uložili. U najboljem slučaju, zasad je ukupni Q-faktor oko 1.
Da je spojen u elektroenergetski sustav ITER ne bi proizvodio električnu energiju nego gubitke. Zato i nije spojen. Zapravo, neće ni biti. ITER je probni, istraživački fuzijski reaktor. Ako i postigne ciljani Qplazma = 10 još je dalek put do komercijalne fuzijske elektrane čiji će ukupni Q-faktor biti značajno iznad jedinice. Ukratko, euforija fanova fuzijskih elektrana je na klimavim nogama. Vesele se Q-faktoru.