Sem zelo hudo bolan. Zato mi oprostite malo mojega pesimizma za prihodnost.

Že od nekdaj podpiram jedrsko energijo pridobljeno iz klasičnih fisijskih jedrskih elektrarn. Le te imajo v primerjavi z drugimi viri energije veliko prednosti: so varne, učinkovite, nimajo ogljičnega odtisa in proizvedejo veliko količino energije na enoto površine, ki jo zavzamejo. Zatakne se le pri vprašanju njihove ekonomičnosti, ker je strošek njihove izgradnje astronomsko visok. Podrobneje sem o tem že pisal: https://bojanambrozic.com/2019/07/04/zakaj-bi-v-sloveniji-morali-zgraditi-novo-jedrsko-elektrarno/. K ekonomičnosti jedrskih elektrarn se bomo spet vrnili nekoliko kasneje.

Jedrska energija v omenjenih elektrarnah se pridobiva s fisijo oz. cepitvijo jeder urana. Obstaja pa tudi obraten proces s katerim je mogoče pridobiti energijo: to je jedrsko zlivanje ali fuzija. Na tem principu svetijo zvezde: dve jedri vodika se zlijeta v težje helijevo jedro: pri tem se pa sprosti ogromna količina energije. In točno ta fizikalni proces želijo znanstveniki izkoristiti v bodočih fuzijskih elektrarnah že od 50. let prejšnjega stoletja. Obstaja več načinov, kako sprožiti fuzijo. Največ raziskav pa se v zadnjih desetletjih dela na tipu fuzijskih elektrarn, kjer se zliva jedra vodikovih izotopov devterija in tritija v jedrskih reaktorjih v obliki torusa, imenovanih tokamaki. Proces zlivanja jeder v središču Sonca zahteva težko predstavljive pogoje: temperaturo 15 milijonov kelvinov in tlak 26 milijonov GPa. Ker je v fuzijskih elektrarnah s tokamaki nemogoče doseči tako visoke tlake, se manjko tlaka nadomešča z 10-krat višjo temperaturo 150 milijonov kelvinov.

Prednosti fuzijskih jedrskih elektrarn pred fisijskimi so: 1) za vir goriva lahko teoretično uporabljamo vodo, ki je na Zemlji nikoli ne bo zmanjkalo, 2) da jedrske nesreče skorajda niso možne, ker se reakcija v primeru težav v reaktorju samodejno zaustavi, 3) majhno število radioaktivnih odpadkov z relativno kratko razpolovno dobo v primerjavi z odpadki iz fisijskih reaktorjev in 4) da ima vir energije za fuzija zelo visoko energijsko gostoto, zaradi česar potrebujemo zelo malo goriva. Zato se fuzijo omenjajo za glavni vir energije prihodnosti, ker se za vir energije uporablja snov, ki je nam ne more zmanjkati oz. jo bomo uporabljali v davni prihodnosti, ko ne bo na Zemlji niti več sledu o fosilnih gorivih.

Zato, da bi znanstveniki razvili fuzijske elektrarne, so doslej zgradili že več eksperimentalnih fuzijskih reaktorjev. Prvi tak večji je bil Joint European Torus (JET) v Veliki Britaniji. Trenutno pa je v Franciji v gradnji reaktor International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Gre za s ceno prek 20 milijard € za enega najdražjih znanstvenih projektov vseh časov. V projekt je prek Evropske unije vključena tudi Slovenija. Projekt je več kot 10 let v zaostanku in se je v tem času zelo podražil. Tu pa se težave šele začnejo.

Ni problem v tem, da jedrska fuzija ni možna, ker je, kar je bilo zelo velikokrat denimo dokazano v JET-u in številnih drugih reaktorjih. Problem je v tem, da v energetskem smislu ni ekonomična. Naj pojasnim. Zato, da pride do nastanka fuzije je najprej potrebno vložiti neko začetno količino energije, ki je potrebna za delovanje reaktorja: npr. za gretje plazme na omenjeno temperaturo 150 milijonov K, za hlajenje superprevodnih magnetov na stenah tokamaka, itd. Šele za tem pride do t.i. pojava gorenja plazme in reakcija se naprej spontano vzdržuje sama. V idealnem primeru pri tej reakciji nastane več energije, kot smo jo vložili. Do sem vse v redu. Kje je sedaj problem? Problem je v tem, da navkljub več kot 70 let naporom, vloženim desetinam milijard $, desettisočev znanstvenikov, ki delajo na fuziji celotne kariere, nismo NITI BLIZU temu, da bi v fuzijskih reaktorjih pridobili več energije od vložene energije (elektrike) v pogon teh reaktorjev. Torej to niso elektrarne, to so naprave, ki proizvajajo neto energetsko izgubo. Trenutni svetovni rekord za fuzijske reaktorje s tokamaki je bil dosežen 1997 v omenjenem reaktorju JET, ko je bilo z reakcijo fuzije proizvedenih 16 MW toplote z obratovalnim časom v dolžini 1 sekunde. To se morda na prvi pogled sliši super in v redu. Strezni pa nas podatek, da je bilo pri tem vložene 24 MW toplote in 700 MW – 800 MW električne moči. To pomeni toplotni izkoristek zgolj 0,67. Ampak to še ni vse. To ni proizvedena električna energija, to je pridobljena toplota, ki bi jo bilo potrebno naprej pretvoriti v električno energijo s pomočjo parnih turbin (tudi tako sofisticirane jedrske elektrine so samo neke vrste parni stroji), kar običajno pomeni dodatno okoli 75 % izgubo energije. Torej, če to upoštevamo, dobimo, da bi JET teoretično proizvedel zgolj okoli 10 MW električne moči, dobimo nekoliko bolj realno oceno izkoristka na okoli 0.012- 0.014, kar pomeni da, če bi bila JET prava elektrarna, bi porabila okrog 70-krat več energije, kot bi jo proizvedla. Torej bi potrebovali od 70-kratno do 100-kratno izboljšanje trenutne najboljše tehnologije, da bi sploh začeli proizvajati elektriko, ne da bi jo samo porabljali. Če se vam faktor 100 ne zdi veliko, pa je, pomislite kaj bi za vas npr. pomenilo 100-kratno povečanje premoženja in kako lahko bi vam bilo to doseči. Sicer obstajajo področja znanosti – kot so npr. računalniške znanosti, kjer so taki faktorji napredki običajni.
Za primerjavo Nuklearna elektrarna Krško (NEK) proizvaja 733 MW električne moči iz 2000 MW proizvedene toplote v reaktorju. Za lastno delovanje porabi pa zgolj 30 – 42 MW električne moči. Njena moč na pragu je 696 MW, kar pomeni da ima približno 1250-krat boljši izkoristek kot JET. S tem, da primerjava ni povsem poštena, ker NEK na polni moči neprekinjeno deluje 18 mesecev, JET pa je deloval zgolj 1 sekundo.

Glavni težavi pri fuziji, kot omenjeno, sta iz inženirskega vidika: porazno slab izkoristek in nestabilnost fuzijske reakcije, zaradi česa je čas vzdrževanje reakcija izrazito kratek, ki se v najboljšem primeru meri v sekundah. Še zdaleč pa to nista edini težavi. Za vzdrževanje plazme je potrebno doseči temperaturo reda velikosti 150 milijonov °C, kar je že samo po sebi težko. To vročo plazmo je potem potrebno z močnimi magneti držati, stran od sten reaktorja, ker če jo ne, se plazma takoj ohladi in fuzijska reakcija se takoj prekine (zato so trenutni časi fuzijske reakcije tako kratki). To se v tokamakih vzdržuje s pomočjo superprevodnih magnetov, ki pa morajo biti ohlajeni na temperaturo blizu absolutne ničle, da lahko delujejo. Tako imate na eni strani stene reaktorja eno najvišjih mogočih temperatur, le malo stran, pa eno najnižjih. Zato je potrebno razviti posebne materiale, ki zdržijo take ekstremne pogoje. Poleg tega morajo biti ti isti materiali odporni tudi na sevanje. Za osnovo teh materialov se uporablja volfram, ki ima najvišje znano temperaturo tališča med vsemi elementi – pri 3422 °C. O tem celo malo vem, ker sem bil občasno vključen v raziskave teh materialov. V tokamakih se za gorivo uporablja vodikova izotopa devterij in tritij. Devterija je v izobilju (najdemo ga v vodi). Tritij pa je radioaktiven in ga v naravi ni. Zato ga je potrebno proizvesti v jedrskih reaktorjih iz litija, kar je zelo drago in zamudno. Poleg tega obstajajo tudi zapleteni strogo fizikalni razlogi zakaj je delovanje fuzijske elektrarne na dolgi rok vprašljivo.

Kot omenjeno, se sedaj gradi reaktor ITER, ki je v vseh pogledih superiorna nadgradnja JET-a. In kakšen je cilj ITER-a? Cilj je, da bi reaktor proizvedel 10-krat več toplote od začetnega vložka toplote s časom trajanjem reakcije najmanj 1 ure, kar pa je po mojem mnenju rahlo zavajanje javnosti. Poglejmo zakaj. V načrtu je, da bo ITER z začetnim vložkom 50 MW toplote iz fuzije pridobil 500 MW toplote. Torej je na prvi pogled res faktor izkoristka 10. Pa v resnici to ne drži, ker načrtujejo, da bo pri tem za svoje delovanje potreboval kar 440 MW – 620 MW električne moči. Torej je realen izkoristek v najboljšem primeru okoli 1.1, kar je tik nad pragom ekonomičnosti, ki je pri 1. To pa še ni vse. Mnogi temu pozabljajo prišteti tipičen 25 % termodinamski izkoristek elektrarn. Če ga upoštevamo dobimo, da bi iz proizvedene toplote ITER hipotetično pridobil 125 MW električne moči. To govorim povsem hipotetično ker tako kot JET, tudi ITER ne bo imel turbin za proizvodnjo električne energije. To pomeni, da, če bi bil ITER elektrarna (pa ne bo) bi bil izkoristek reaktorja ITER-a zgolj okoli 0,28 oz. povedano drugače ITER bi porabil okoli 3 do 4-krat več električne moči, kot bi jo proizvedel. To se verjetno vsi strinjamo, da ni ravno dobro.
Po mojem mnenju tudi cilji ITER-a niso dovolj optimistično zastavljeni – morali bi biti najmanj taki, da bi bi bil njegov izkoristek najmanj tak, da če bi ga potencialno priklopili na turbine, da bi vsaj teoretično proizvedel več elektrike, kot bi jo v istem trenutku porabil; in to ne za eno uro, ampak vsaj za nekaj tednov. To bi potem pomenilo, da imamo potencialen stabilen vir energije.
Ampak v resnici stvari trenutno kažejo še slabše: najprej morajo znanstveniki v ITER-u sploh priti do prve plazme. Gradnja reaktorja v Cadaracheju v Provansi poteka že 17 let (hm, to je ravno toliko časa, kot jaz pišem ta blog). Prva plazma bo po optimističnem scenariju v reaktorju nastala leta 2033. Prvi poskusi zlivanja devterija in tritija so bili par tednov nazaj nazaj preloženi še za dodatna 4 leta – iz leta 2035 na leto 2039. Kot praviloma velja za tako velike in ambiciozne projekte skorajda ni možnosti, da se ne bi se vse skupaj še bolj zavleklo. Šele, ko bodo po letu 2040 končani poskusi v reaktorju ITER, se načrtuje, da se bo začelo graditi prvo pravo fuzijsko elektrarno s toplotno močjo 2000 MW (kar je primerljivo s trenutnim NEK), ki so jo poimenovali DEMOnstration Power Plant (DEMO). Elektrarna naj bi bila zgrajena po letu 2050. Glede na vse zamude, bo verjetno trajalo vse skupaj trajalo še veliko dlje. Skratka DEMO je primerljiv projekt z misijo človeka na Marsu. To se ne bo zgodilo za časa našega življenja.

ITER v taki obliki, kot je trenutno ni na poti, da fuzija postane vir energije, ampak je zgolj en velik znanstveni poskus, kar v osnovi ne bi bilo nič narobe, če bi bil oglaševan tako. Na primer tudi Hubblov vesoljski teleskop je stal milijarde in od njega ni v osnovi nobene koristi, ampak vseeno velja za zelo uspešen projekt, ker je že od začetka predstavljen kot bazično raziskovalni projekt in ne kot aplikativen. Treba je priznati, da se najdejo tudi številni pozitivni učinki ITER-a, saj je zaradi zelo velike kompleksnosti fuzije “po nesreči” nastalo veliko drugih znanstvenih in inženirskih odkritij: npr. na toploto in sevanje zelo odporni materiali. Na srečo ITER ni edina pot. Po celem svetu se ta trenutek gradi ali že obratuje še veliko drugih eksperimentalnih fuzijskih reaktorjev. Nekateri se financirajo tudi iz zasebnega kapitala. Upam, da na koncu vsaj komu uspe. To bi bil zagotovo največji dosežek 21. stoletja, morda celo največji znanstveni dosežek vseh časov.

Začel sem blog s stavkom, da so klasične fisijske jedrske elektrarne zelo drage. Bom tudi končal z njim. Zakaj? Ker je cena elektrarn eno najbolj ključnih vprašanj, ki si jih moramo zastaviti pred gradnjo. To zato, ker je od cene gradnje, odvisen en določen delež končne cene električne energije za nas potrošnike. Po izkušnjah zadnjih let stanejo jedrske elektrarne 10-20 milijard € na enoto. Če so te elektrarne, s staro preverjeno tehnologijo tako zelo drage, kako zelo drage bodo šele nove fuzijske (sploh če strošku gradnje prištejmo ceno > 100 milijard € razvoja)? Je sploh kakšna možnost, da bodo v ekonomskem smislu kdaj v prihodnosti ekonomične? Prav tako bodo kljub vsemu proizvajale radioaktivne odpadke. Bomo zapravil tako ogromno količino denarja, človeških in naravnih virov. Potem pa jih vse bolj in bolj prestrašena javnost sploh ne bo želela? Dejstvo, da fuzijske elektrarne ne načrtujemo za nas, ampak za naše pravnuke. Je torej nekaj kar bo v najboljšem primeru delovalo morda čez 50 let, smiselno namenjati naš denar? Velik problem je tudi ta, da bodo fuzijske elektrarne prišle na trg prepozno, da bi rešile težave z globalnim segrevanjem, ki so aktualne sedaj, ta trenutek. V znanstvenih krogih kroži že desetletja šala, da je fuzija vedno 50 let v prihodnosti. Bojim se, da to ni šala, ampak kar resnica. Ob vsem tem se ne morem znebiti negativnega občutka, da bi za ceno, ki je že šla in bo še šla za fuzijo, postavili že najmanj nekaj 10 klasičnih jedrskih elektrarn, ki bi dobro delovale in bi že sedaj proizvajale elektriko, ki jo nujno potrebujemo za t.i. zeleni prehod. Tako pa nimam nič oz. gradimo gigantske vroče krofe.