Moment istoric pentru fuziunea nucleară: primul experiment cu câștig net de energie15 min read

După decenii de experimente, cercetătorii au atins un pas istoric pentru fuziunea nucleară: prima reacție de laborator care a creat mai multă energie decât a consumat.

Cercetătorii de la Laboratorul Lawrence Livermore din cadrul National Ignition Facility din Statele Unite au reușit să efectueze primul experiment cu fuziune nucleară care a dus la un câștig net de energie, a anunțat marți seară Secretarul pentru Energie al Statelor Unite,  Jennifer Granholm.„Breakthrough in nuclear fusion energy announced”, bbc.com

Este primul experiment de fuziune nucleară desfășurat în laborator care atinge aprinderea, adică punctul din care reacția devine autosuficientă și poate avea loc fără energia externă necesară pentru pornirea ei.

Experimentul a avut proporții limitate, folosind energie de aproximativ 2 megajouli (MJ) pentru a porni reacția, care a generat 3 MJ. Cercetătorii estimează că vor mai fi nevoie de câteva decenii de dezvoltare a tehnologiei până când aceasta va deveni comercial viabilă, însă pragul atins de experimentul NIF sugerează că reactoarele pe bază de fuziune nucleară au șanse de a fi dezvoltate în acest secol, ceea ce va ajuta la  decarbonificarea producerii de energie.

Dr. Marvin Adams, oficial al agenției nucleare din SUA, prezintă un recipient asemănător cu cel folosit în experimentul NIF. Chip Somodevilla/Getty Images

Ce este fuziunea nucleară?

Reacțiile de fuziune nucleară reprezintă sursa principală de energie din miezul stelelor active, precum Soarele.„DOE Explains…Nuclear Fusion Reactions”, energy.gov Acestea au loc atunci când două nuclee atomice fuzionează pentru a crea unul nou, mai greu decât nucleele originale. În cazul stelelor, nuclee atomice de hidrogen reacționează pentru a forma nuclee de heliu.

Energia apare din diferența de masă dintre nuclee, fenomen explicat prin celebra ecuație a lui Albert Einstein, E=mc², care arată că masa se poate transforma în energie și vice-versa. Astfel, reacția de fuziune are un potențial energetic practic nelimitat, iar combustibilul pe care îl folosește este cel mai abundent element din Univers.

Datorită acestui potențial, fuziunea nucleară a fost cercetată intens încă din anii 1930, mai ales în cadrul programelor de dezvoltare a armelor nucleare.„How Do Nuclear Weapons Work?”, ucusa.org Reacția este folosită pentru armele termonucleare, doar că acestea nu funcționează exclusiv pe baza fuziunii, ci au o primă etapă de detonare bazată pe fisiunea nucleară.Spre deosebire de fuziune, fisiunea nucleară creează energie prin ruperea atomilor în nuclee mai mici Această primă explozie creează condițiile pentru începerea reacției de fuziune în bombă între deuteriu și tritiu, doi izotopi ai hidrogenului.

Spre deosebire de fisiune, care a fost relativ rapid utilizată ca sursă de energie în centrale nucleare, fuziunea nucleară nu a putut fi valorificată. Impedimentul principal este temperatura necesară pentru a porni fuziunea nucleară, care, în stele, este de 100 de milioane °C.„What is nuclear fusion”, iaea.org Astfel de temperaturi pot fi atinse pe Pământ doar cu ajutorul unor echipamente complexe și cu consumarea unor cantități  ridicate de energie.

Din această cauză, cercetarea fuziunii nucleare ca sursă de energie viabilă a progresat mult mai greu. De fiecare dată când cercetătorii au creat reacții de fuziune în laborator, energia folosită pentru a atinge temperaturile necesare a fost mult mai mare decât cea obținută din reacții.

Asta se întâmpla deoarece reacțiile nu puteau atinge momentul de „aprindere” – cel în care energia rezultată din reacție putea încălzi combustibilul nuclear mai repede decât rata la care acesta se răcea. Practic, în urma aprinderii, reacția devine autosustenabilă și nu mai are nevoie de energie externă pentru a încălzi combustibilul.

Cum a fost realizată aprinderea fuziunii nucleare?

Pe 5 decembrie 2022, un experiment desfășurat la laboratorul NIF a reușit, însă, pentru prima dată aprinderea unei reacții de fuziune nucleară.

Laboratorul testează o metodă numită „inertial confinement fusion” – în care o capsulă cu combustibil nuclear, în mare deuteriu și tritiu,„How NIF Works”, lnll.gov este plasată în interiorul unui soi de „cuptor” cilindric din aur, numit hohlraum. Atunci când hohlraumul este încălzit, pereții acestuia absorb energia și o emană în interior sub formă de raze X. Acestea din urmă comprimă și încălzesc capsula nucleară, iar atunci când hohlraumul este încălzit cu aproximativ trei milioane de °C, în capsulă se creează temperaturi de peste 100 de milioane °C, oferind condițiile necesare pentru fuziunea dintre izotopii de hidrogen.

Pentru a încălzi hohlarumul la aceste temperaturi, laboratorul NIF folosește cel mai puternic sistem de lasere din lume, cu 192 de fascicule foarte energetice, care dezvoltă o putere totală de 2 MJ.. Doar clădirea acestui laser are zece etaje. Puterea totală necesară pentru crearea fasciculelor de laser este mult mai ridicată, de 300 de megajouli.„Bringing star power to Earth,” llnl.gov

În urma câtorva ajustări făcute față de experimentele anterioare, cercetătorii NIF au testat din nou o reacție de fuziune, la fel cum făcuseră anterior de zeci de ori. De data aceasta, însă, cei 2,05 MJ creați de fasciculele de laser au reușit să aprindă combustibilul nuclear, creând 3,15 MJ, într-o reacție care a durat doar o miliardime de secundă.

Încăperea de la Laboratorul Lawrence Livermore în care hohlraumul cu capsula de combustibil nuclear este încălzită de fasciculele de laser pentru a produce fuziunea nucleară. Macor/The San Francisco Chronicle via Getty Images

Un experiment istoric, dar mai e de lucru până la reactoare

Fuziunea nucleară ar putea fi o sursă de energie care nu generează emisii de carbon și nici deșeuri nucleare, precum reactoarele care folosesc fisiunea nucleară. Iar combustibilul este relativ la îndemână, având în vedere că hidrogenul este cel mai comun element din Univers și poate fi obținut pe Pământ prin metode regenerabile. Aici trebuie menționat, însă, că formula actuală de combustibil folosită în testele de fuziune nucleară include tritiu, un izotop radioactiv al hidrogenului care nu apare în mod natural pe Pământ, și este obținut de obicei din alte materiale radioactive.

Eventualele reactoare pe bază de fuziune nucleară ar putea juca un rol crucial în tranziția la energia verde și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. În scenarii și mai îndepărtate, fuziune ar putea juca un rol crucial chiar și în explorarea spațială, dacă tehnologia ar putea fi adaptată într-un sistem de propulsie pentru rachete.„The Fusion Driven Rocket: Nuclear Propulsion”, nasa.gov

Însă, chiar dacă experimentul de la NIF este o reușită istorică, va mai dura ceva până când fuziunea nucleară va fi putea fi valorificată ca sursă de energie.

În primul rând, chiar dacă din punct de vedere tehnic experimentul a obținut un câștig net de energie raportat la puterea fasciculelor de laser folosite pentru a porni reacția, cei 3 megajouli obținuți încă pălesc în fața celor 300 care sunt necesari pentru a opera întreg sistemul laser de la NIF.

În același timp, costurile și echipamentele necesare pentru operarea laserului de la NIF sunt impractice pentru a putea fi transpuse într-un reactor comercial, după cum punctează și cercetătorii implicați de la Laboratorul Lawrence Livermore.

„Pentru a putea realiza energie de fuziune comercială, va trebui găsită o soluție pentru a putea produce un număr mare de evenimente de aprindere a fuziunii pe minut”, a explicat marți Kim Budil, directoarea Laboratorului Național Lawrence Livermore.  „Probabil că va mai dura câteva decenii, dar nu cinci sau șase, cum obișnuiam să spunem până acum. Cred că dezvoltarea acestei tehnologii se va muta în prim-plan – și, probabil cu un efort și investiții concentrate, câteva decenii de cercetare a tehnologiilor implicate ne-ar putea aduce într-o poziție în care să putem construi un reactor pe bază de fuziune”, a adăugat Budil.

De acum, cercetătorii vor trebui să încerce să scaleze tehnologia, pentru a putea produce mult mai multă energie din reacția de fuziune. Până în momentul de față, recordul de energie produs de un experiment cu fuziune nucleară este de 59 MJ,  atins de un laborator britanic în luna februarie.„European researchers achieve fusion energy record”, euro-fusion.org Dar chiar și acest record, de 20 de ori mai mare decât energia obținută la experimentul NIF, ar produce cu doar 4 MW de energie electrică, dacă puterea obținută ar fi  folosită pentru a alimenta o turbină cu aburi.

Pentru a obține viabilitatea comercială, vor trebui scăzute și costurile pentru echipamentelor necesare pentru a porni o reacție de fuziune cu aprindere, și, în același timp, vor trebui găsite soluții eficiente pentru a duce energia creată în rețelele de electricitate.

Chiar și așa, experimentul desfășurat pe 5 decembrie reprezintă un punct de cotitură în cercetarea fuziunii nucleare, și este foarte probabil ca succesul cercetătorilor de la NIF să ducă la investiții mult mai ridicate în cercetarea tehnologiei și, implicit, la o dezvoltare accelerată a acesteia.