Kinesko "veštačko Sunce" probilo barijeru nuklearne fuzije

Kineski nuklearni fuzioni reaktor EAST uspešno je održao plazmu stabilnom pri ekstremnim gustinama, ostvarivši veliki iskorak u oblasti nuklearne fuzije i potencijalno približivši čovečanstvo korišćenju gotovo neograničene čiste energije. Često nazivan i "veštačko Sunce", kineski reaktor za nuklearnu fuziju probio je važnu granicu u fuziji ispaljivanjem plazme izvan uobičajenog operativnog opsega, čime je unapredio spor napredak čovečanstva ka gotovo neograničenoj čistoj energiji.

Eksperimentalni napredni superprovodnički tokamak (EAST) održao je plazmu – visokoenergetsko četvrto agregatno stanje materije – stabilnom pri ekstremnim gustinama, što se ranije smatralo velikom preprekom u razvoju nuklearne fuzije, navodi se u saopštenju Kineske akademije nauka.

- Ovi nalazi ukazuju na praktičan i skalabilan put za proširenje granica gustine u tokamacima i fuzionim uređajima sledeće generacije sa zapaljenom plazmom - rekao je koautor studije Ping Džu, profesor na Fakultetu za elektrotehniku i elektronsko inženjerstvo Univerziteta nauke i tehnologije Kine.

Nuklearna fuzija nudi potencijal gotovo neograničene čiste energije, odnosno energije bez velike količine nuklearnog otpada ili emisija gasova sa efektom staklene bašte koje nastaju sagorevanjem fosilnih goriva. Novi nalazi, objavljeni u časopisu Science Advances, mogli bi da približe čovečanstvo otključavanju ovog izvora energije.

Međutim, tehnologija nuklearne fuzije razvija se već više od 70 godina i još je u velikoj meri eksperimentalna nauka, pri čemu reaktori obično troše više energije nego što proizvode.

Fuzioni reaktori su projektovani da spoje dva laka atoma u jedan teži atom pomoću toplote i pritiska. Na taj način rekreiraju procese koji se dešavaju na Suncu. Međutim, Sunce ima daleko veći pritisak nego reaktori na Zemlji, pa naučnici to nadoknađuju zadržavanjem vrele plazme na temperaturama znatno višim od sunčevih.

Kineski EAST je reaktor sa magnetnim zadržavanjem, odnosno "tokamak", osmišljen da održava kontinuirano sagorevanje plazme tokom dužih perioda. Reaktor zagreva plazmu i zadržava je unutar komore u obliku krofne koristeći snažna magnetna polja. Tokamak reaktori još nisu dostigli paljenje fuzije – tačku u kojoj fuzija postaje samoodrživa – ali je reaktor EAST povećavao vreme tokom kog može da održava stabilnu, snažno ograničenu, petlju plazme.

Jedna od prepreka za istraživače fuzije je granica gustine poznata kao Grinvaldova granica, iznad koje plazma obično postaje nestabilna. Ova granica predstavlja problem jer, iako veće gustine plazme omogućavaju češće sudare atoma i time smanjuju energetski trošak paljenja, nestabilnost prekida fuzioni proces.

Da bi prevazišli Grinvaldovu granicu, kineski naučnici pažljivo su upravljali interakcijom plazme sa zidovima reaktora kontrolišući dva ključna parametra pri pokretanju reaktora: početni pritisak gorivog gasa i grejanje putem elektronske ciklotronske rezonance, odnosno frekvenciju pri kojoj elektroni u plazmi apsorbuju mikrotalase. Time je plazma ostala stabilna pri ekstremnim gustinama od 1,3 do 1,65 puta iznad Grinvaldove granice, što je znatno više od uobičajenog operativnog opsega tokamaka od 0,8 do 1.

Ovo nije prvi put da je Grinvaldova granica probijena. Na primer, tokamak Nacionalnog fuzionog postrojenja američkog Ministarstva energetike u San Dijegu probio je ovu granicu 2022. godine, a 2024. istraživači sa Univerziteta Viskonsin–Medison objavili su da su održali stabilnu tokamak plazmu na oko deset puta većoj vrednosti od Grinvaldove granice koristeći eksperimentalni uređaj.

Međutim, proboj ostvaren u EAST-u omogućio je istraživačima da prvi put zagreju plazmu do ranije teorijski predviđenog stanja nazvanog "režim bez ograničenja gustine", u kojem je plazma ostajala stabilna kako se gustina povećavala. Istraživanje se zasniva na teoriji samorganizacije plazme i zida (plasma-wall self-organization, PWCO), koja predlaže da je režim bez ograničenja gustine moguć kada je interakcija između plazme i zidova reaktora pažljivo uravnotežena, navodi se u saopštenju.

Napredak ostvaren u Kini i u SAD-u uticaće na razvoj novih reaktora. Obe zemlje su članice programa Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER), saradnje desetina zemalja na izgradnji najvećeg tokamaka na svetu u Francuskoj.

ITER će biti još jedan eksperimentalni reaktor osmišljen za stvaranje dugotrajne fuzije u istraživačke svrhe, ali bi mogao da utaba put ka fuzionim elektranama. Očekuje se da ITER počne da proizvodi fuzione reakcije punog obima 2039. godine.