Fuziunea nucleară – cât de aproape este „Soarele artificial”?

Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X / ilustrație Science Magazine

Știri recente, în special despre experimentul german Wendelstein 7-X, au reincitat imaginația publică cu privire la o potențială sursă de energie inepuizabilă și ecologică. Dar cât de aproape suntem de realizarea acestui vis? Până acum, prin bomba cu hidrogen, nu am reușit decât să evidențiem energia distructivă a fuziunii nucleare. Vom reuși în viitorul apropiat să construim primul reactor de fuziune care să ne ofere energia „curată” necesară pentru a scăpa de combustibilii fosili?

Spre deosebire de fisiunea nucleară, care produce dezintegrarea nucleului atomic, fuziunea nucleară reprezintă procesul de contopire a două nuclee atomice ușoare într-un nucleu mai greu. Pe lângă un nou element, reacția generează și o cantitate considerabilă de energie. În mod natural, acest proces stă la baza reacțiilor termonucleare din stele. În cazul Soarelui, se estimează că 657 milioane de tone de hidrogen sunt transformate în 653 milioane de tone de heliu în fiecare secundă. Diferența de masă este convertită în radiații, o parte a acestora ajungând la noi sub formă de lumină și căldură.

La data de 1 noiembrie 1952, SUA testează și prima aplicație practică a acestui principiu – bomba cu hidrogen. Această armă termonucleară folosește fisiunea nucleară pentru a declanșa fuziunea hidrogenului și o explozie mult mai puternică. Deși ideea de a folosi fuziunea nucleară pentru a obține energie exista deja, în deceniile următoare sunt realizate mai multe arme bazate pe acest principiu, iar pentru obținerea energiei este folosită fisiunea nucleară.

Reactoarele nucleare de fisiune, precum cele folosite la Centrala Nucleară de la Cernavodă, au însă mai multe dezavantaje. Cel mai evident și mai mediatizat este posibilitatea unui dezastru nuclear, cum au fost cele de la Cernobîl în 1986 sau Fukushima în 2011. Un alt aspect negativ, cu consecințe pe termen lung, este reprezentat de deșeurile nucleare, materiale radioactive ce sunt în prezent depozitate până la găsirea unei soluții pentru neutralizarea lor.

În cazul unui reactor nuclear de fuziune, nu sunt generate reziduri radioactive, iar o explozie este considerată aproape imposibilă, deoarece defectarea instalației ar conduce la stoparea reacției. Fuziunea nucleară nu este însă lipsită de pericole, acestea decurgând din condițiile în care are loc. O reacție termonucleară se poate produce doar la temperaturi și presiuni înalte, condiții dificil de obținut fără a utiliza mai puțină energie decât este produsă de fuziune.

Cercetări recente susțin însă că reactoarele de fuziune nucleară ar putea deveni viabile din punct de vedere comercial în următoarele decenii. Mai mult, pe lângă cercetările și experimentele finanțate de către state, au apărut și o serie de inițiative private care pretind că vor atinge acest obiectiv mult mai repede. Care este însă stadiul actual?

Proiecte și experimente de fuziune nucleară cu finanțare statală/internațională

Wendelstein 7-X este proiectul cel mai mediatizat din ultima perioadă, beneficiind de un design desprins parcă din romanele SF și prezența cancelarului german Angela Merkel la inaugurare. Experimentul este o versiune îmbunătățită a Wendelstein 7-AS, derulat în perioada 1988 – 2002, și își propune să demonstreze posibilitatea de a realiza dispozitive de fuziune de tip stelarator (stellarator în engleză) la nivel de centrală electrică. Într-un stelarator, plasma în care ar trebui să aibă loc fuziunea nucleară este dirijată într-un circuit elicoidal de către curenți magnetici.

În data de 3 februarie 2016, Wendelstein 7-X a produs pentru prima dată plasmă de hidrogen: „La simpla apăsare a unui buton de către cancelarul federal Angela Merkel, un impuls de 2 MW de microunde a transformat o cantitate mica de gaz de hidrogen într-o plasmă extrem de fierbinte de hidrogen de joasă densitate”, spune comunicatul oficial. Trecând peste semnificațiile politice, plasma a atins o temperatură de 80 milioane de grade Celsius pentru numai 0,25 secunde. Destul de departe de obiectivul de a atinge 100 milioane de grade, temperatura necesară pentru fuziune, și susținerea reacției până la 30 de minute. Wendelstein 7-X a început să fie construit în 2005, a debutat în 2015 și se estimează că ar trebui să își atingă obiectivul prin 2020. Dar Wendelstein 7-X este doar un experiment și nu va produce niciodată energie electrică. Dacă are succes, modelul ar putea fi luat în considerare pentru realizarea unui reactor comercial după anul 2020.
Asamblarea Wendelstein 7-X în perioada 2005 – 2014

Cel mai important proiect în domeniul fuziunii nucleare ca sursă de energie este considerat ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, dar și „cale” în latină). Proiectul a debutat în 1985 și reunește cercetători, evident și finanțare, din China, Uniunea Europeană, India, Japonia, Coreea, Rusia și SUA. Obiectivul său este de a crea cel mai mare dispozitiv de tip tokamak, în care o serie de bobine sunt plasate în jurul camerei de reacții în forma de tor. ITER este urmașul proiectului  JET (Joint European Torus ), început în anul 1978 și care a reușit în 1997 să producă o putere record de 16 MW timp de o secundă cu un combustibil deuteriu-tritiu.

ITER tokamak
Dispozitivul tokamak ITER / ilustrație ITER

ITER are ca obiectiv să producă 500 MW de energie generată de fuziune consumând doar 50 MW energie inițială. Cu alte cuvinte, să demonstreze că fuziunea nucleară este viabilă ca sursă comercială de energie electrică. Nici ITER nu este însă un reactor de fuziune care să producă energie electrică, ci un experiment care ar trebui să debuteze prin 2020 și să obțină primele rezultate în 2027. Dacă va avea succes, ar putea fi transpus într-un reactor comercial după anul 2030.

Proiecte și experimente private în domeniul fuziunii nucleare

Tri Alpha Energy (TAE) este o companie americană fondată în 1998 care își propune să dezvolte tehnologie de fuziune nucleară „cât mai repede posibil”. Spre deosebire de proiectele menționate anterior, TAE dorește să realizeze un dispozitiv de fuziune hidrogen-bor. Rezultatele de până acum?  În iunie 2015 dispozitivul C-2U a reușit să producă plasmă timp de 5 milisecunde. Compania beneficiază însă de susținere financiară, inclusiv din partea co-fondatorului Microsoft Paul Allen, și de expertiza unor experți din 25 de țări. TAE nu a dezvăluit termenele previzionate de construcție pentru un reactor de fuziune.
Tri Alpha Energy Animation

General Fusion este o companie canadiană care a început să încheie parteneriate științifice din 2014, iar din 2015 a obținut finanțări mai importante, inclusiv din partea miliardarului american Jeff Bezos. Compania are un model diferit de reactor de fuziune: o sferă cu un amestec topit de plumb și litiu, înconjurată de o serie de pistoane. Pentru moment, proiectul de află în faza de construcție a primului subsistem, dar speră să obțină rezultate palpabile în deceniul următor.
General Fusion – System Animation

Helion Energy este o companie americană ce a primit finanțări de la NASA și alte organisme guvernamentale americane, dar se bazează pe susținerea sectorului privat, în special din partea miliardarului Peter Thiel, co-fondatorul PayPal. Ca și TAE, Helion dorește să realizeze un model în care combustibilul, în acest caz hidrogen și heliu-3, este comprimat. Până acum, compania nu a demonstrat nimic practic, dar susține că va avea rezultate în câțiva ani și o tehnologie comercială până în 2022.

Helion Energy
Modelul de reactor de fuziune propus de Helion Energy

Lockheed Martin este o binecunoscută companie americană din domeniul aerospațial, dar în octombrie 2014 a anunțat că urmărește construirea unui reactor de fuziune compact (CFR – compact fusion reactor). La acel moment, compania estima că reactorul său va fi cu 90% mai mic decât modelele anterioare și va fi construit într-un an. Până acum nu au anunțat vreo reușită, dar speră să aibă un CFR utilizabil până în 2025.
Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development

O echipă de cercetători din cadrul Institutului de Tehnologie Massachusetts (MIT) a propus o versiune îmbunătățită a modelului ITER. Reactorul ARC (affordable, robust, compact – accesibil, robust, compact) ar utiliza aceleași principii fizice ca și ITER, dar ar avea o dimensiune redusă la jumătate și ar beneficia de tehnologii mai noi, cum ar fi materialele supraconductoare. ARC este în faza de cercetare, susținută în parte de Departamentul Energiei din SUA.

fuziune ARC
Reactorul de fuziune ARC / ilustrație MIT

În concluzie, deși sunt mai multe proiecte care urmăresc realizarea unui reactor de fuziune, materializarea într-o centrală nucleară care să producă energie electrică este la cel puțin câteva decenii de realizare. Visul unui „Soare artificial” și al energiei „curate și inepuizabile” rămâne pentru moment doar un deziderat, dar unul care ar trebui urmărit cu mai multă preocupare în anii următori pentru a diminua efectele încălzirii globale.
Surse: Max Planck Institute for Plasma Physics, ITER, Tri Alpha Energy, General Fusion, Helion Energy, Durham University, Lockheed Martin, MIT, Science Magazine/YouTube, NUPEX

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *