Fuziunea nucleară – energia viitorului18 min read

Că ne place sau nu, că acceptăm acest fapt sau nu, omenirea se îndreaptă către un moment crucial.

Încălzirea globală ca urmare a activității umane este din ce în ce mai evidentă, iar la nivel planetar nu mai este nevoie de foarte mult pentru declanșarea unor fenomene potențial devastatoare, care nu ar mai putea fi oprite.

În mod surprinzător, poate, studii recente au arătat că contribuția emisiilor de gaze de seră ca urmare a activității umane e posibil să depășească 100% din efectul total de încălzire, pentru că în ultimii ani planeta și-a activat sistemele de răcire și reglare a temperaturii globale. Din emisiile de gaze de seră, aproximativ 65% se datorează utilizării combustibililor fosili.

În acest context, găsirea unor surse de energie și a unor metode de generare a energiei care să nu polueze poate fi crucială în evitarea unei catastrofe ecologice de proporții. Energia nucleară a reprezentat dintotdeauna o variantă atractivă de generare a energiei, datorită densității mari de energie (de milioane de ori mai mare decât în cazul combustibililor fosili) și a lipsei emisiilor de gaze de seră.

Fuziune / Fisiune

Energia nucleară poate fi exploatată prin intermediul a două tipuri de reacții: fisiunea și fuziunea. Fisiunea constă în “spargerea” nucleului unui atom greu (uzual uraniu, plutoniu și thoriu) în elemente cu masă mai mică, prin bombardarea acestuia cu neutroni. Fuziunea reprezintă procesul opus, de unire a nucleelor a doi atomi ușori (de obicei, izotopi ai hidrogenului sau heliului).

Ambele tipuri de reacție sunt exotermice (generează căldură), iar căldura generată poate fi utilizată pentru încălzirea unui lichid (uzual apă) care antrenează o turbină și generează astfel curent electric.

Fisiunea este folosită de peste 60 de ani pentru generarea de curent electric, dar, deși este mult mai curată decât generarea de electricitate folosind combustibilii fosili, are două dezavantaje. Primul constă în faptul că deșeurile rezultate în urma reacțiilor sunt puternic radioactive (emit radiații extrem de dăunătoare) și rămân radioactive pentru perioade mari de timp (mii de ani), iar stocarea acestora reprezintă o problemă complicată. Al doilea dezavantaj este că, prin natura reacțiilor, fisiunea nucleară este un proces care se autosusține, ceea ce reprezintă un risc în cazul reacțiilor scăpate de sub control. Pe scurt, fisiunea produce neutroni care lovesc la rândul lor alți atomi și produc în continuare fisiuni. În reactoarele nucleare, această reacție în lanț este ținută sub control prin introducerea unor tije de control în reactor, tije care absorb o parte din neutronii emiși prin fisiune. În cazul unor defecțiuni la sistemul de control, există posibilitatea unor accidente grave, cu eliberare de nori radioactivi, cum a fost cazul accidentului de la Cernobîl, cel mai grav din istorie.

Fuziunea, pe de altă parte, nu are aceste probleme. Reacția generează foarte puține materiale radioactive, cu o durată de înjumătățire (durata în care emisiile de radiații scad la jumătate) mică, iar în cazul unor defecțiuni, condițiile pentru ca reacțiile să aibă loc dispar, deci reacția se oprește de la sine.

Și ce condiții! Fuziunea este sursa de energie pentru stele, a căror gravitație este suficient de puternică încât să facă posibilă reacțiile. În lipsa forței gravitaționale enorme a unei stele, fuziunea poate avea loc doar la temperaturi extreme: sute de milioane de grade într-un mediu izolat. La  aceste temperaturi, materia trece într-o formă specială de agregare, denumită plasmă.

Cercetarea în domeniul reactoarelor de fuziune

În acest moment, cercetarea se concentrează în principal pe două soluții constructive: fuziunea inerțială și fuziunea în câmp magnetic. Fuziunea inerțială presupune bombardarea uniformă a unei cantități de combustibil de mici dimensiuni (câțiva milimetri diametru) cu lasere de putere mare, încălzirea bruscă și uniformă ducând la implozia sferei de combustibil și eliberarea de energie.

Exemplu de reactor ce utilizează fuziunea inerțială

Fuziunea în câmp magnetic presupune încălzirea unei cantități mai mari de combustibil și menținerea plasmei astfel obținute într-un perimetru izolat. Spre deosebire de fuziunea inerțială, care se efectuează în pulsuri, la fuziunea în câmp magnetic plasma trebuie menținută la temperaturi de sute de milioane de grade pentru mai mult timp (ideal nelimitat).

Cum nu există niciun material care să reziste la aceste temperaturi, mediul izolat poate fi obținut doar prin suspendarea plasmei în câmpuri magnetice într-o structură toroidală. Câmpul magnetic este obținut cu ajutorul electromagneților (reactoare de tip Tokamak și Stellarator). Mai există și alte soluții care sunt studiate, obiectivele fiind aceleași: atingerea condițiilor de presiune și temperatură necesare pentru fuziunea izotopilor de hidrogen.

(a) Reactor Tokamak (b) Reactor Stellarator

Fuziunea ca sursă de energie prezintă numeroase provocări pentru oamenii de știință. La momentul actual, elementele utilizate pentru fuziune sunt deuteriul și tritiul, izotopi ai atomului de hidrogen. Dacă deuteriul se găsește din abundență în oceane, tritiul este mult mai rar și extrem de costisitor de produs la scară industrială. Alt neajuns este că cea mai mare parte a energiei eliberate prin fuziunea acestor elemente este eliberată sub formă de neutroni, iar neutronii sunt “imuni” la câmpuri magnetice și nu pot fi controlați. Exact ca într-un reactor de fisiune, neutronii bombardează incinta reactorului și produc activarea radiologică și deteriorarea accelerată acesteia. În plus, sunt necesare măsuri suplimentare de protecție a personalului împotriva radiațiilor. Poate cea mai periculoasă problemă o reprezintă faptul că fluxul „generos” de neutroni poate fi utilizat, prin plasarea unei cantități de uraniu 238 în incinta reactorului, la îmbogățirea acestuia în uraniu 239. Sună cunoscut? Asta pentru că uraniul 239 este folosit la bombele atomice.

Fiecare tip de reactor are, la rândul lui, avantajele și dezavantajele sale, dar, fără a intra prea mult în detalii, problema fundamentală a fuziunii este că, până în acest moment, datorită ineficienței și neajunsurilor tehnologiei actuale, energia generată de reacții este mai mică decât energia necesară pentru întreținerea condițiilor de reacție. În cazul fuziunii inerțiale, laserele care bombardează combustibilul consumă foarte mult curent, iar în cazul fuziunii în câmp magnetic atât încălzirea cât și formarea câmpului magnetic sunt extrem de costisitoare energetic. Pentru ca fuziunea să fie fezabilă, energia generată trebuie să fie mai mare decât cea consumată. Până acum, energia generată acoperă doar 67% din energia necesară, în cel mai bun caz. De la an la an, însă, raportul dintre energia generată și cea consumată devine tot mai favorabil.

Istoric și proiecte active

Fuziunea nu este deloc ceva recent intrat în atenția oamenilor de știință. Primele experimente legate de fuziunea nucleară au fost făcute în anii 30, iar primele încercări de a stăpâni fuziunea pentru producerea de energie electrică au început în 1950. Apar atunci primele soluții tehnice viabile, reactoarele de tip tokamak și stellarator, care vor sta la baza reactoarelor moderne. Deși inițial se fac progrese substanțiale, limitările tehnologice ale vremii frânează proiectele. Abia în a doua jumătate a anilor 60 reapar rezultate promițătoare, prin atingerea unor temperaturi tot mai apropiate de cele necesare pentru o fuziune stabilă. În anii 70-80, cercetarea în domeniul fuziunii a dus la un nivel de colaborare științifică internațională nemaiîntâlnit până atunci, și asta în plin Război Rece. În această perioadă a fost pus în mișcare proiectul ITER, la propunerea Secretarului General al Uniunii Sovietice, Mihail Gorbaciov, către omologul său american, președintele Ronald Reagan. Proiectul ITER este cel mai mare proiect de cercetare științifică internațională în domeniul fuziunii din istorie, la el participând Rusia, Statele Unite, Uniunea Europeană, Japonia, China, Canada (care s-a retras între timp), India, Elveția și Coreea de Sud.

Reactorul ITER, de tip Tokamak, este unul demonstrativ și nu va produce energie electrică (energia termică produsă va fi eliberată în atmosferă). Rezultatele cercetării vor fi utilizate ulterior într-un proiect denumit DEMO care ar putea produce aproximativ 2GW cu un consum de „doar” 80MW. Instalația ITER se construiește în Franța și se estimează că va fi pusă în funcțiune în 2025.

Alt proiect major este cel denumit Wendelstein 7-X, aflat în Germania. Reactorul, de tip Stellarator, deține recordul mondial pentru condițiile de temperatură și de presiune a plasmei și continuă să facă progrese în ceea ce privește timpul de susținere a plasmei în camera reactorului.

Fuziunea inerțială este implementată în reactoare precum Laser Megajoule, în Franța și LFEX în Japonia.

În acest moment, există zeci de reactoare experimentale în funcțiune pe tot mapamondul, atât în cadrul unor proiecte finanțate de guverne, cât și în cadrul proiectelor private. Intrarea mediului privat în „cursa” pentru găsirea soluției constructive optime aduce beneficii substanțiale acestui proces, accelerând inovația.

Și totuși… fuziunea?

Dacă privim dimineața pe geam observăm că fuziunea este un proces real iar zilele caniculare de vară indică clar că poate genera cantități uriașe de energie. Dar putem noi să stăpânim puterea stelelor?

În rândul cercetătorilor există o glumă care descrie foarte bine stadiul fuziunii. Se spune că fuziunea ca formă de producere a energiei este mereu la 30 de ani distanță. Această afirmație era valabilă și acum 50 de ani, și este valabilă și acum. Acest domeniu este unul foarte complicat, cu noi provocări ce apar pe măsură ce se reușește depășirea celor întâlnite deja. Deși progresul cercetării este vizibil, problemele ce apar întârzie în mod repetat proiectele și unii oameni de știință consideră că fuziunea nu va fi stăpânită niciodată în mod fezabil, iar finanțările ar trebui să se îndrepte către alte proiecte.

Progrese nu se fac însă doar în domeniul fuziunii. Noi materiale superconductoare pot schimba oricând perspectiva asupra fezabilității fuziunii, calculatoarele și inteligența artificială au potențialul de a revoluționa cercetarea reactoarelor (de exemplu, prin proiectarea unor camere de ardere cu geometrie îmbunătățită, care să elimine turbulențele). În acest moment, putem încă spune că energia de fuziune este tot la 30 de ani distanță, dar, la cât de repede progresează anumite ramuri ale științei, surprize pot apărea oricând. Important este ca soluția să fie găsită înainte să ne distrugem complet habitatul.

Atunci când fuziunea va fi stăpânită, problemele energetice ale planetei vor fi rezolvate pentru mult timp într-un mod sustenabil și nepoluant. O miză atât de importantă merită, uneori, să urmărim ceea ce poate fi o Fata Morgana.