(INTERVJU) Dr. Luka Snoj: "Fuzija ne bo nikoli prepozna"

Raziskovalci so pred kratkim v Oxfordu v Angliji z napravo Joint European Torus (JET) postavili rekord v proizvodnji energije s fuzijo, to je zlivanjem jeder atomov. V konzorciju EUROfusion, ki združuje 4800 znanstvenikov iz vse Evrope, sodelujejo tudi znanstveniki z Instituta Jožef Stefan. Med njimi je tudi dr. Luka Snoj, vodja odseka za reaktorsko fiziko na IJS. Odgovoril je na nekaj vprašanj o omenjenem dosežku in o prizadevanjih za izkoriščanje fuzije za proizvodnjo energije.

Lahko pojasnite, zakaj je nedavni dosežek v reaktorju JET v Culhamu blizu Oxforda tako pomemben?

"Gre za svetovni rekord v produkciji energije iz novega vira - fuzije. Ta energija je znašala 59 megajoulov. To v primerjavi s klasičnimi gorivi sicer ni neka večja količina energije, odkrito povedano. Tolikšna energija se sprosti, če sežgemo dober kilogram nafte. Je pa rekordna količina energije, ki smo jo pridobili s fuzijo in z novim gorivom. Pri tem smo porabili zelo majhno količino goriva - 0,07 mg devterija in 0,1 mg tritija. Povprečna dosežena moč je znašala 12 MW, kar je približno primerjalna moč manjše toplarne, na primer Toplarne Celje. Ta moč je trajala štiri sekunde. Zakaj gre za prelomen dosežek? Mi smo potek reakcije predvidevali z našimi računskimi orodji in naša predvidevanja so se sedaj potrdila. Skratka, po eni strani gre za rekordno energijo iz novega vira, na drugi strani gre za dokaz, da je fuzija na takšnem nivoju mogoča in da smo potrdili naše računske in teoretske modele. Kar nam daje zaupanje v naše delo, zaupanje, da bo tudi nastajajoči reaktor ITER sposoben proizvesti načrtovanih 500 MW moči dlje časa."

Zakaj je JET obratoval samo štiri sekunde?

"Zato, ker so tuljave, ki ustvarjajo magnetno polje, narejene iz bakra. Po njih tečejo ogromni tokovi več sto tisoč amperov - za primerjavo, v gospodinjstvu teče največ deset amperov, ko prižgete pečico. In ko se po bakrenih tuljavah pretaka tako velik tok, se močno segrejejo. Po nekaj sekundah je zato treba napravo ugasniti, sicer bi se tuljave stopile, ker nimajo hlajenja. JET je bil namreč narejen v 80. letih, ko so načrtovali, da bo nekajsekundno delovanje zadostovalo. In to smo dosegli."

S tem dosežkom ste torej dokazali, da koncept deluje?

"Tako je, gre za demonstracijo delovanja. JET je dosegel svoj cilj. Na svetu ni fuzijskega reaktorja, ki bi proizvedel več energije iz devterija in tritija, kot je je JET, in toliko časa obratoval na taki moči."

Kakšen je prispevek slovenske ekipe pri tem projektu?

"Konkretno na JET-u delamo že od leta 2006 oziroma 2007. Jaz in moj kolega sva bila tam na podoktorskem študiju, vsak po eno leto. Naša naloga je bila, da smo kalibrirali, računsko in eksperimentalno, merilnike moči reaktorja. Torej teh 12 MW moči je bilo izmerjenih z detektorji nevtronov, to so najnatančnejši detektorji moči in mi smo bili odgovorni za njihovo kalibracijo. Naredili smo izračune in koordinirali zadeve. JET je kompleksna naprava, pri projektu sodeluje veliko profilov strokovnjakov. Izmerjena številka je natančna zaradi kalibracije, ki smo jo mi vodili. To je naš najpomembnejši prispevek."

Reaktor ITER, ki bo nekajkrat večji od JET-a, trenutno gradijo v Franciji. Kako poteka gradnja, kakšna je časovnica, kdaj naj bi začel delovati?

"Delovati naj bi začel leta 2026. Trenutno je 80-odstotno dokončan. Pri gradnji je prišlo do nekaterih zamud, vzroki so organizacijski, problemi z dobavo materiala in nazadnje še epidemija koronavirusa. Kot pri vseh velikih projektih prihaja do zamud, ki pa niso zelo velike. Eksperimenti na JET-u nam vlivajo zaupanje v naše simulacije. Kot kaže, bo ITER dosegal predvidene sposobnosti. Ustvarjanje plazme z devterijem in tritijem, ko naj bi ITER deloval pri veliki moči tam nekje 500 MW, je predvideno za leto 2035. Pred tem se bomo devet do deset let učili, kako naprava deluje pri manjših močeh, ter ga po potrebi malo nadgradili in modificirali. Podobno kot pri avtu, če bi kupili dirkalnik s 1000 konji, prav tako ne bi šli takoj na dirkališče in vozili z največjo hitrostjo. Najprej se bi malo učili, da dobite občutek."

ITER naj bi bil najkompleksnejša naprava na Zemlji. Se strinjate ali gre za pretiravanje?

"Gotovo je ena najkompleksnejših. Podobno kompleksne so morda še Mednarodna vesoljska postaja, LIGO interferometer ali pospeševalnik CERN. Mi bi radi ustvarili sonce na Zemlji, uporabili pa bomo komponente, ki še nikoli niso bile izdelane."

Zelo visoke temperature bodo povsem blizu zelo nizkim temperaturam.

"Tako je, na sredini ITER-ja bo 150 milijonov stopinj Celzija, kar bo najvišja temperatura na Zemlji, nekaj metrov stran pa bodo najnižje temperature na Zemlji, štiri stopinje Kelvina oziroma minus 269 stopinj Celzija."

Tako nizke temperature potrebujete za hlajenje superprevodnih magnetov, kajne?

"Tako je. ITER bo imel superprevodne tuljave, ki se ne bodo grele, kot se te v JET-u. Zato bo ITER lahko deloval nekaj minut, mogoče celo nekaj ur. Imel bo večjo moč in daljši čas delovanja."

ITER je zadnja stopnja pred komercialnimi fuzijskimi elektrarnami?

"Ne, pred komercialnimi pride še demonstracijska fuzijska elektrarna Demo. ITER je svetovni projekt, medtem ko bo demonstracijskih elektrarn več. Ena bo evropska, na tem že delamo, izdelujemo načrte. JET je dokazal, da smo sposobni fuzijo ustvariti, plazmo segreti do zlivanja jeder in dobiti teh 12 MW, kar je že precej, čeprav še vedno porabimo več energije za segrevanje plazme, kot je dobimo iz nje. Približno trikrat več. ITER, ker bo večji in bo imel večjo moč, bo bolj učinkovit, pridobili bomo desetkrat več energije, kot je bomo porabil za samo segrevanje plazme. ITER bo moral demonstrirati tudi druge tehnologije, kot je proizvodnja goriva. Tritija v naravi namreč ni in ga je treba pridobiti iz litija. Vse te tehnologije se bodo na ITER-ju testirale. Demonstracijska fuzijska elektrarna pa je v načrtovanju, tudi tukaj Slovenci sodelujemo. Računsko simuliramo različne izvedbe in jih testiramo. Demonstracijska elektrarna je načrtovana za leto 2050. Vzporedno potekajo še drugi projekti, v Angliji, na Kitajskem, Japonskem. Demonstracijska elektrarna mora dokazati, da je delovanje fuzijske elektrarne mogoče. Šele temu bodo sledile komercialne fuzijske elektrarne v drugi polovici tega stoletja."

Časovne dimenzije so zelo dolge. Kaj pravite na znano kritiko oziroma vic, da je fuzija že trideset let trideset let oddaljena v prihodnosti?

"Ta kritika je po eni strani upravičena, ker so bila pričakovanja znanstvenikov v preteklosti visoka. Se razume, da so bili ambiciozni, tudi mi smo, vendar je dejstvo, da je bil pri fuziji narejen ogromen napredek. Fuzijski reaktor je nekaj novega, tega človeštvo še ni imelo. Ogromno smo se naučili. Pri fuziji prihaja do novih pojavov, nekaterih še ne razumemo povsem. Proces je težji, kot smo si lahko predstavljali. Dosežek na JET-u nam daje upanje, da je fuzija obvladljiva in da bomo nekega dne imeli elektrarno. Druga stvar pa je, da je takšne projekte izjemno težko voditi. Gre za mednarodni projekt, ki ga je z menedžerskega vidika skoraj tako težko voditi kot s tehnološkega vidika zaradi različnih interesov držav. Povrhu pa so tu še finance. Evropski proračun za fuzijo je milijarda evrov na leto, kar je ena kavica na Evropejca na leto. Če primerjamo s subvencijami za fosilna goriva, ki znašajo 56 milijard na leto, vidimo, da ne vlagamo zelo velikega denarja v to tehnologijo."

Ali se vam ne zdi, da bo prišla fuzijska tehnologija prepozno, glede na potrebe po razogljičenju energetike in vse bolj pereč problem podnebnih sprememb?

"Fuzija ne bo nikoli prepozna. Prehod je nujen. Naredimo nekoliko provokativen miselni eksperiment. Predstavljajte si, da imate težavo v družbi, na primer epidemijo. In imate rešitev v obliki mask in cepiva. Mi smo dobili tehnološko rešitev, ki pa je nismo želeli uporabiti. Po tej analogiji poglejmo podnebne spremembe. Že 30 let vemo, da se dogajajo, zadnjih 15 let pa so dokazi očitni. Kljub temu da že dolgo vemo, da moramo narediti prehod na brezogljično družbo, smo v Sloveniji zgradili TEŠ na premog. Kljub temu je Nemčija še pred dvema letoma zgradila termoelektrarno na lignit. In si pripeljala dve cevi za plin iz Rusije. Te cevi niso mišljene za pet let, ampak za 40 let in več. Moje osebno mnenje je, da mi tega ne jemljemo resno. Recimo, da nam danes uspe preboj in imamo danes na voljo fuzijske reaktorje, ki jih lahko postavimo v enem letu, hipotetično. Ampak v fosilnih gorivih je toliko finančnega interesa, tako velika finančna inercija, da ne omenjamo geopolitičnega in geostrateškega položaja držav, ki imajo zaloge fosilnih goriv. Te države fosilna goriva izvažajo, njihov BDP je močno odvisen od prodaje fosilnih goriv. Delniški trgi bi upadli. Države, ki prodajajo fosilna goriva, kupujejo veliko orožja od zahodnih držav. Kar naenkrat ne bi imele več denarja za nakup orožja. Fuzija bi bila ogromna motnja. Zato menim, da mora biti proces prehoda stran od fosilnih goriv evolucijski."

Kako močne bodo fuzijske elektrarne, ko bodo enkrat delovale? Bodo primerljive s sedanjimi fisijskimi nuklearkami?

"Trenutno se zdi, da bodo fuzijske elektrarne imele to 'slabost', da ne bodo mogle biti majhne. Govorimo o moči najmanj tri do štiri gigavate termične moči, eno tretjino tega je električna moč. Torej tam nekje od enega do 1,5 gigavata električne moči. To bo zelo primerno za velika mesta, kot so Pariz, Berlin, London, in za velike države. Za Slovenijo bodo manj primerne, saj ne more biti celotna država odvisna od enega vira. Fuzijske elektrarne bodo bolj ali manj regionalne. Recimo nekaj elektrarn za območje Balkana, kjer bi sodelovalo več držav."

Kakšne pa so primerjave s sončno energijo, kjer cena inštalirane moči iz leta v leto upada?

"Danes 80 odstotkov energije dobimo iz fosilnih goriv. Prehod na trajnostne nizkoogljične vire bo hudičevo težek. Pri tem ne smemo biti izbirčni. Uporabiti moramo vse nizkoogljične tehnologije. Električno omrežje v letu 2100 bo vključevalo klasične jedrske elektrarne, fuzijske elektrarne in seveda sončne, vetrne, geotermalne elektrarne, elektrarne na valove in še kaj. Vse bomo morali uporabiti. Res je, da cena sončnih elektrarn upada, tudi zato, ker smo njihovo proizvodnjo preselili v države, kjer so standardi spoštovanja človekovih pravic in čistosti okolja nizki. Ko govorimo o moči sončnih elektrarn, običajno navajamo njihovo inštalirano moč, to je maksimalno moč delovanja v optimalnih razmerah. Razmere pa običajno niso optimalne, sploh ne v Sloveniji. In tudi če cene virov upadejo, imata sonce in veter to slabost, da njune energije ne moremo shranjevati. Mogoče na dnevnem nivoju še gre, v baterijah ali črpalnih elektrarnah, na mesečni ravni pa ne. Lahko zgradimo, kolikor želimo sončnih elektrarn, lahko so brezplačne, pa ne bodo mogle zadostiti potrebam v Sloveniji. Ker pač na oblačen zimski dan ne bodo dale dovolj elektrike. In ko vključite še potrebno povečanje kapacitet omrežja in gradnjo hranilnikov energije, zadeva ni več tako poceni. Jedrske elektrarne pa energijo dajejo ne glede na vreme. Naša družba temelji na tem, da imamo energijo neprestano na voljo. To je pomembna razlika. Jedrska elektrarna Krško ima faktor kapacitete 92 odstotkov, kar je na meji teoretičnega maksimuma. Toliko časa je na razpolago. Sedem odstotkov je v remontu. Sončna elektrarna ima v Sloveniji faktor razpoložljivosti deset do petnajst odstotkov. Vetrna ima faktor največ 30 nekje na Danskem, v Sloveniji pa še manj. To je bistvena razlika, o kateri se v medijih premalo govori."

Kako močno je slovenska znanstvena skupnost vpeta v raziskave fuzije?

"Močno, od 40 do 50 raziskovalcev z IJS in Univerze v Ljubljani dela na tem. Večinoma preko evropskega konzorcija EUROfusion, ki vključuje vse evropske inštitute na tem področju. Močno sodelujemo tudi z Združenimi državami Amerike. Pokrivamo področja od fizike plazme, razvoja novih materialov, interakcije materialov s plazmo in s sevanjem do hlajenja fuzijskih reaktorjev, proizvodnje goriva, radioaktivnosti, sevanja, do merjenja moči."