15

5

10

00 1.0 2.0 3.0 4.0

Q 0.2

Q 0.64

5.0 6.0

as (s)

Fu

zijs

ka m

o (

MW

)

JET(1997)

JET(1997)

JET(1991)

JG00

.57/

1c

D+T

Plazma

Notranja stena (vsebuje litij)

Toplotniizmenjevalnik

Vakuumskaposoda

Parni kotelTurbina in generator

D

Električna energija

Helij

Tritij in helij

Tritij

Devterijsko gorivo

Superprevodni magnet

4He

T+4He

Zaščita

JG99.278/3c

PlinNafta

Gorljivi obnovljivi viri in odpadki

Premog Jedrska energija

Vodni viri

1

1980 1990 2000

23456789

0

1011

Konc

entr

acija

CO

2 (p

pm

)

Fuzijski centri v svetu

Tuljave zapoloidno polje

Tuljave zatoroidno polje

Silnice magnetnega poljaPlazemski tok

Plazma

Magnetna polja v tokamaku

Magnetna poljav stelaratorju

Prvi tokamak na Institutu

Ameriški tokamak DIII-D (General Atomics)

Skupni evropski torus (JET) v Znanstvenem centru

Culham, Anglija

Slika plazme (na desni) znotraj torusa JET

v reaktorju JET

JT-60U

z gorivi od leta 1971 do leta 2003

ekvivalentov). Vir: IEA2

v preteklosti in prihodnosti

Leto

260

280

300

320

340

360

380

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

D57

D47

Mauna Loa

Južni tečaj

Cel

otna

prim

arna

ene

rgijs

ka z

alog

a (B

toe)

Leto

Magnetno zajetje plazme

Pri magnetnem zajetju se plazma ne dotika sten zaradi močnega magnetnega polja. Nabiti delci,ki tvorijo plazmo – pozitivni ioni in negativni elektroni – sledijo magnetnim silnicam. Plazma je v posebno oblikovani toroidni posodi (torusu), v kateri magnetne silnice tvorijo sklenjene zan-ke. Nabiti delci se v posodi gibljejo po krožnicah in tudi po opravljeni poti več deset tisoč kilomet-rov se ne dotaknejo sten. Tako je plazma ujeta v tej magnetni kletki.

Dve vrsti naprav temeljita na teh principih: toka-maki in stelaratorji. Obstajajo tudi drugačne ob-like fuzijskih reaktorjev, kot na primer reaktor s povratnim poljem in sferični tokamak. Kot naj-uspešnejša oblika fuzijskega reaktorja se je izka-zal tokamak.

Za zadostno število fuzijskih reakcij v reaktorju je treba od zunaj dovajati toploto, dokler ni dose-žena potrebna visoka temperatura. Segrevanje je lahko z mikrovalovi ali s curki visokoenergij-skih delcev. Ko se sproži fuzija, se tvorijo številni produkti, kot so helijeva jedra in nevtroni, ki no-sijo zelo veliko energije.

Trajno gorenje plazme

Pri zlitju jeder devterija in tritija nastane jedro helija, ki nosi 20 % energije, ki se pri fuziji spro-sti (v obliki kinetične energije). Helijevo jedro je električno nabito in je ujeto v magnetnem polju. Svojo energijo odda fuzijskemu gorivu (meša-nici devterija in tritija), ki je v reaktorju. Tako se gorivo segreva. Če je reaktor zadosti velik, se gorivo z lastno energijo segreje na potrebno temperaturo. V takem primeru plazma doseže razmere trajnega delovanja oziroma »gorenja«.

Poleg helijevega jedra vsaka fuzijska reakcija povzroči nastanek nevtrona, ki nosi 80 % spro-ščene energije. Ker nevtron ni električno nabit, ni ujet v magnetnem polju, ampak potuje di-rektno proti notranji steni fuzijske posode. Tam odda svojo energijo hladilni tekočini, ki kroži po sistemu. Tako kot v navadnih termoelektrarnah segreta hladilna tekočina preko izmenjevalnika toplote povzroči nastanek vodne pare, ki poga-nja turbine za proizvodnjo elektrike. Lahko pa se visoka temperatura hladilne tekočine uporabi za tvorbo vodika.

Vztrajnostna fuzija

Čisto drugačen je t. i. koncept vztrajnostne (iner-cijske) fuzije. Z izredno močnimi laserji bi segre-vali nekajmilimetrsko tabletko, napolnjeno z mešanico devterija in tritija. Zunanji del table-tke bi odparel, kar bi povzročilo zelo visok tlak v notranjosti tabletke. Pritisk bi močno povišal temperaturo in gostoto vsebine tabletke, kar bi omogočilo nastanek fuzijskih reakcij.

Največji izziv tovrstne fuzije je, kako doseči za-dostno in homogeno obsevanje tabletk pri zelo velikih hitrostih: za delovanje fuzijskega reak-torja bi namreč morali vsako sekundo obsevati 10–20 tabletk.

Pomembni mejniki fuzije

Raziskave na področju fuzije so v zadnjih letih doživele izre-den napredek v svetovnem merilu. Poskusi na fuzijskih reak-torjih tipa tokamak so hitro napredovali že v začetku sedem-desetih let prejšnjega stoletja, kar je omogočilo načrtovanje prvih poskusov z devterijem in tritijem. V letu 1991 so prvič dosegli 1,7 MW fuzijske moči pri kontroliranih devterij-triti-jevih (D-T) fuzijskih reakcijah. Ta, zelo pomemben mejnik pri razvoju fuzije je bil dosežen v Združenem Evropskem Torusu (JET), tokamaku, ki je bil zgrajen v bližini Oxforda v Veliki Bri-taniji, in je na voljo fizikom in inženirjem iz vse Evrope.

Leta 1994 je bila v Ameriki, v tokamaku TFTR, doseženafuzijska moč 10 MW. Zelo uspešno za tokamak JET je bilo leto 1997, ko so dosegli desetmegavatno področje fuzijske moči v trajanju nekaj sekund, z vrhom moči pri 16 MW.

Naslednji korak

Ti rezultati, skupaj z rezultati poskusov na mnogih tokamakih po svetu, so dobra znanstvena in tehnična podlaga za nasled-nji korak - mednarodni projekt ITER. ITER je tokamak, načrto-van, da proizvede fuzijsko moč velikosti nekaj sto megavatov. Proizvedena moč bo desetkrat večja od vložene, namenjene segrevanju plazme. ITER bo omogočal trajno plazmo – plaz-mo, ki se zaradi fuzijskih reakcij zadosti segreva, da se ohranja. Delal bo v razmerah kot prihodnje fuzijske elektrarne in bo pokazal, katere so ključne tehnologije, ki so potrebne za upo-rabo fuzije kot učinkovitega vira energije.

Izbira trajnostne energije

Fuzija je ena od redkih možnosti za trajnostni vir energijeza daljno prihodnost človeštva. Omogoča varen in okolju prijazen vir energije z gorivom, ki je široko razprostranjeno in so njegove zaloge velike in zanesljive. Ko bo fuzija razvita, bo igrala pomembno vlogo pri proizvodnji energije, skupaj z drugimi energijskimi tehnologijami.

Emisija toplogrednih plinov spreminja kli-matske razmere na Zemlji. Povzroča dvig povprečne temperature, spremembe v pa-davinah in dvig morske gladine. Zmanjša-nje emisije toplogrednih plinov je nujno, in resni ukrepi tako v bližnji kot daljni priho-dnosti bodo potrebni, da se zmanjša velika ogroženost okolja. Zmanjševanje emisije, ki je bilo dogovorjeno s Kyotskim protoko-lom, je samo prvi korak.

Pomemben prispevek pri izogibanju kli-matskim spremembam mora imeti razvoj in uporaba tehnologij za pridobivanje energije s skoraj nično emisijo toplogred-nih plinov. Fuzijska elektrarna ne bi pov-zročala nastanka teh plinov: fuzija je ena od redkih možnosti, ki bi lahko veliko pri-spevala pri prihodnjih energijskih potre-bah človeštva.

Devterij in tritij, gorivo za fuzijo, sta težja in manj pogosta izotopa elementa vodika. Vsak kubični meter vode vsebuje 33 gramov dev-terija in je zaradi tega zelo razširjen in dose-gljiv po celem svetu. Pridobivanje devterija iz vode ni drago. Tritij je radioaktiven in ima razpolovno dobo nekaj dni več kot 12 let. V naravi je izredno redek, nastaja v zelo maj-hnih količinah zaradi vpliva kozmičnih žar-kov. Lahko pa se ga proizvede v fuzijskem reaktorju iz litija, ki je eden od najpogostej-ših elementov v zemeljski skorji.

Količina goriva, ki je potrebna za delovanje fuzijskega reaktorja, je zelo majhna. Samo 100 kg devterija (pridobljenega iz 2800 ku-bičnih metrov morske vode) in 150 kg tritija (iz 10 ton litijeve rude) je potrebno za eno-letno delovanje fuzijske elektrarne z močjo 1000 MW. Za primerjavo: termoelektrarna na premog enake moči potrebuje za enolet-no delovanje 2,7 milijona ton premoga.

Majhna količina goriva – hitrazaustavitev

Čeprav se plazma v fuzijskem reaktorju razpro-stira po zelo velikem prostoru – 1000 kubičnih metrov in še več – je celotna količina devterija in tritija v plazmi zelo majhna: masa goriva v posodi, v kateri je plazma, je približno enaka masi desetih poštnih znamk.

Ta minimalna količina goriva v plazmi je osnovni razlog za varnost obratovanja fuzijskega reaktorja. V fuzijsko posodo se vbrizga samo majhna količi-na goriva, ki je potrebna za nekajsekundno delo-vanje reaktorja. Fuzijski proces se lahko ustavi v nekaj sekundah s prekinitvijo dotoka goriva, tako kot v plinskem gorilniku. To pomeni, da se fuzij-ska elektrarna lahko zaustavi varno in zelo hitro.

Težavnost doseganja pravih razmer za fuzijo po-meni, da je fuzija pasivno varen proces. Namreč vsak odmik od optimalnih razmer povzroči, da fuzijski procesi proizvedejo manj energije ali se celo ustavijo.

Varnost fuzijskega reaktorja

Ko v plazmi ne potekajo reakcije fuzije, je edini vir energije v fuzijskem reaktorju radioaktivni razpad aktiviranega materiala, ki obdaja pla–zmo. Varnostne študije so pokazale, da je ta vir energije majhen in da ne povzroča povišanja temperature, tudi v primeru popolne odpovedi hladilnega sistema.

Tritij – proizvodnja in izgorevanje na mestu samem

Edinstvena značilnost fuzijskega reaktorja je, da se radioaktivna komponenta goriva, tritij, tvo-ri v samem reaktorju v stenah, ki vsebujejo litij. Nevtroni, ki nastanejo med fuzijskimi reakcijami,reagirajo z litijem in ga spremenijo v tritij.

Tako se edina radioaktivna komponenta v gorivu proizvede in porabi v reaktorju samem. Razen na samem začetku delovanja in pri razgradnji reak-torja ni potreben transport radioaktivnih snovi.

Ni škodljivih emisij radioaktivnih snovi

Primarna elementa za fuzijsko gorivo – devterij in litij – nista radioaktivna in ju lahko prevaža-mo brez težav. Kot odpadni produkt (»pepel«) pri fuziji nastaja majhna količina plina helija, ki prav tako ni radioaktiven. Obsežne varnostne študije so pokazale, da fuzijski reaktor ni neva-ren zaradi možnih izpustov radioaktivnih snovi v okolje. Največja količina radioaktivnega tritija, ki bi lahko ušel iz reaktorja, je zelo omejena, zato v takem primeru ne bi bila potrebna evakuacija bližnjega prebivalstva.

Fuzijski reaktorji bodo zgrajeni tako, da bodo upoštevani vsi strogi predpisi in zakoni in da bo delo s tritijem varno.

Preskušanje strukturnih materia-lov, ki se zelo malo aktivirajo

Pri fuzijski reakciji direktno ne nastajajo radio-aktivne snovi. Vendar pa nastajajo nevtroni, ki lahko aktivirajo snovi v stenah fuzijskega reak-torja. Radioaktivnost, ki je posledica aktivacije z nevtroni, je odvisna od izbire materialov. Odpira se možnost take izbire materialov, ki bi se zelo malo aktivirali v toku nevtronov.

To je področje aktivnih raziskav, kjer znanstveni-ki raziskujejo zlitine na osnovi vanadija in kroma, ki se zelo malo aktivirajo. Raziskujejo tudi mož-nost vgradnje keramike in kompozitnih materia-lov na osnovi keramičnih vlaken, ki bi se zelo malo aktivirali.

Rezultati razvoja materialov kažejo, da se bo radioaktivnost, ki je posledica obsevanja z nev-troni, zelo hitro znižala na dopustno raven, pri kateri je že možno odpadne materiale reciklirati, tipično do 100 let.

Načrti za raziskave materialov vključujejo tudi mednarodno enoto za obsevanje materialov (IFMIF – International Fusion Materials Irradia-tion Facility). Ta, visoko intenzivni vir nevtronov je potreben za preskušanje materialov, ki naj bi se uporabljali v prihodnjih fuzijskih reaktorjih, s posebnim poudarkom na materialih, ki se zelo malo aktivirajo.

Vir energije brez CO2

Zaloge goriva za fuzijo so praktično neusahljive

energy_sl_091009.indd 1 13.11.2009 11:54:34 Uhr

www.efda.org

EFDA Close Support Unit - GarchingBoltzmannstr. 2

D-85748 Garching / Munich - Germany

Telefon: +49-89-3299-4237Faks: +49-89-3299-4197

E-pošta: mark.westra@efda.orgUredniki: Federico Casci, Doris Lanzinger, Mark Westra

Grafična oblika: Karen JensUrejanje: Stefan Kolmsperger

© J. Pamela (vodja EFDA) 2010.

Brez predhodnega dovoljenja ponatis knjižice v celoti ali kakega njenega dela ni dovoljen. Slika na strani 1: z dovoljenjem instituta Kurchatow; stran 2: General Atomics; stran 3: JAERI; stran 4: IEA in IPCC 2001(WGI,SPm).Partnerji EFDA so Evropska komisija in Združenje evropskih fuzijskih programov, ki jih upravlja Evropska komisija.

Ne Komisija, ne Združenje, niti noben posameznik, ki deluje v njunih imenih, niso odgovorni za kakršnokoli škodo, ki je posledica uporabe informacij, ki so objavljene v tej publikaciji.

Posebna zahvala gre prostovoljnim prevajalcem, ki so knjižico prevedli v druge jezike.

Modelna tuljava toroidnega

Prototip diverterja

Poskusni diverter (Brasimone, Italija)

Fuzijska reakcija

He

nT

D

4He + n + EnergiaD + T

EnergijaNa poti k fuzijski elektrarni

Fuzija, vir energije na Soncu

Fuzija, to je proces zlitja lahkih atomskih jeder, pri katerem nastanejo težja jedra, je vir energije na Soncu in drugih zvezdah. Na Soncu se zli-vajo vodikova jedra, pri tem se tvorijo helijeva. Pri reakciji se približno pol odstotka mase vodika pretvori v energijo, kot je opisano z znano Einsteinovo enačbo E = mc2. Ta enačba povezuje maso in energijo. Energija, ki se tvori na zvezdah, se kot svetloba razširja in izgublja v globinah vesolja. Manj kot milijardinka energije Sonca pade na Zemljo, kjer vzdržuje življenje, veter in kroženje vode že milijarde let.

Fuzija ima velik potencial kot vir trajnostne energije za prihodnost. Znanstveniki in in-ženirji po celem svetu izvajajo fuzijske razis-kave s ciljem zgraditi fuzijsko elektrarno v drugi polovici tega stoletja. S pričetkom mednarodnega projekta ITER, katerega na-men je znanstveno in tehnično demonstri- rati, da je proizvodnja fuzijske energije izved-ljiva, fuzijska znanstvena skupnost vstopa v pomembno fazo približevanja temu cilju.

Izkoriščanje fuzije na Zemlji

Vodikovi atomi se na Soncu in zvezdah zlivajopri zelo visokih temperaturah in pri izrednovisokih tlakih zaradi gravitacije. V osnovi je fuzija možna z mnogimi lahkimi elementi. Med vsemi možnostmi je fuzija devterija in tritija, dveh izo-topov vodika, najenostavneje dosegljiva. Zato sta bila ta dva izotopa izbrana kot osnovno gori-vo prihodnjih fuzijskih elektrarn. Pri reakciji se devterij in tritij pretvorita v helij, nevtron in v ogromno energije.

Sto milijonov stopinj

Atomska jedra se odbijajo, ker imajo vsa pozitivni naboj. Da bi se jedri lahko tolikopribližali, da bi prišlo do zlitja, morata trčiti z zelo veliko hitrostjo, kar pomeni, da mora biti temperatura plina zelo visoka. Za zlitje jeder devterija in tritija jepotrebna temperatura med 100 in 150 milijoni stopinj Celzija.

Pri tako visokih temperaturah elektroni v atomu zapustijo jedra in skupaj tvorijo plin nabitih delcev, ki ga imenujemo »plazma«. Vroča plazma bi se v primeru, da bi se dotikala sten posode, v hipu ohladila (in zaustavil bi se proces fuzije), zato jo je treba na nek način zadrževati stran od sten. Drugi razlog, zakaj plazma ne sme priti v stik s stenami posode, je možnost erozije sten in onesnaženje plazme.

ITER, naslednji korak v raziskavah fuzije

Svetovno sodelovanje

ITER – latinska beseda za pot – bo naslednji velik poskusni toka-mak. Namen je pokazati znanstveno in tehnološko možnost upo-rabe fuzijske energije v miroljubne namene. ITER je mednarodni projekt, pri katerem sodelujejo države Evropske unije, Kitajska,Japonska, Indija, Ruska federacija, Republika Koreja in ZDA.

V reaktorju ITER bodo znanstveniki preiskovali plazmo v razme-rah, ki bodo podobne pričakovanim v prihodnjih fuzijskih elek-trarnah. Reaktor naj bi proizvajal 500 MW moči z energijskimojačitvenim faktorjem vsaj 10, kar pomeni, da se bo tvorilo10-krat več energije, kot pa jo bo treba dovesti za segreva-nje plazme. Namenjen bo tudi za raziskovanje ravnotežnegadelovanja, preskušanje komponent in materialov za prihodnje fuzijske naprave ter za razvoj tehnologij, povezanih s fuzijo infuzijskimi elektrarnami.

Ključne tehnologije in ITER

ITER bo vseboval ključne tehnologije in sestavne dele fuzij-ske elektrarne: superprevoden magnet, komponente za uporabo pri visokih toplotnih pretokih, daljinsko vzdrže-vanje in sisteme za ravnanje s tritijem.

V zadnjih desetih letih smo bili priča razvoju ključnih tehno- logij, predvsem pri sedmih velikih raziskovalno-razvojnih projektih, ki so omogočili dobro osnovo za gradnjo reak-torja ITER.

Stroški za ITER, časovni razpored in lokacija

Gradnja reaktorja ITER naj bi stala okoli 4,6 milijar-de evrov. Sredstva naj bi zbrali mednarodni partnerji, predvsem v obliki vgradnih delov za napravo. Evrop-ska unija zagotavlja polovico potrebnih sredstev. ITER bodo zgradili v približno desetih letih, deloval pa naj bi približno dvajset let. Graditi so ga začeli v bližini mesta Cadarache na jugu Francije.

Vzporedno z gradnjo in delovanjem reaktorja ITER bo tekel raziskovalno-razvojni program na področju fizike in tehnologije za pripravo na naslednji korak reaktor DEMO. Ta naj bi začel delovati 30–35 let po začetku gradnje reaktorja ITER. Namen reaktorja DEMO bo pokazati možnost proizvodnje elek-trične energije z uporabo fuzije v veli-kem obsegu in pri samozadostnosti goriva na osnovi tritija. DEMO bo po-peljal fuzijo v industrijsko fazo in ji od-prl pot k prvim komercialnim fuzijskim elektrarnam.

Stavka v kateri je tokamak

Hala za sestavljanje in stavba za

radiofrekvenčne napajalnikeServisna stavba za

tritij, vakuum in preskrbo z gorivom

Stavba z laboratoriji

Kontrolna stavba

Servisna stavba

Bazen z vročo vodo in hladilni stolp

Črpalna postaja za hladilno vodo Skladišče

plinov

Vstopna stavba za

osebje

Skala je v metrih

Stavba za radioaktivne

odpadke

Stavba z vročimi celicami

Diagnostična hala, upori in kondenzatorji za hitro razelektritev za tuljave toroidnega

polja

Kompleksnapajalnika za injiciranje

nevtronov

Stavba napajalnika

za magnetne tuljave

Stavbe za pretvorbo magnetne

energije

Področje pulznega

napajalnika

Področje konstantnega

napajalnika

Kriogenski rezervoarji

Stavbe za izdelavo tuljav s poloidnim poljem in

rezervno napajanjeParkirišče

0 50 100

energy_sl_091009.indd 2 13.11.2009 11:54:52 Uhr