Revista Art-emis
Fuziunea termonucleară - Posibilităţi de realizare (2) PDF Imprimare Email
Dr. Chim. Gheorghe Ioniţă   
Vineri, 05 August 2011 18:52

Ionita Gheorghe1. Fuziunea termonucleară

Fuziunea termonucleară controlată este astăzi calea cea mai promiţătoare pentru energetica viitorului, realizarea ei urmând să asigure, pe o perioadă practic nelimitată, întreg necesarul de energie al omenirii. Reacţia este similară celei care alimentează Soarele, eliberând mari cantităţi de energie în baza faimoasei ecuaţii a lui Einstein: E=mc². O mică parte din masă este pierdută când atomii de hidrogen se combină, acest proces eliberând vaste cantităţi de energie. Aşa cum menţionam în prima parte a acestui articol, practic cercetătorii vor ca în cadrul a doua proiecte de mare anvergură, (proiectele JET şi ITER) să reproducă pe Pământ procesul din Soare, devenind viitori „făcători de stele". Pentru a înţelege mai bine mecanismele şi detaliile acestor proiecte se cuvine să ne aplecăm puţin asupra posibilităţii practice de realizare a fuziunii nucleare controlate. Elementul de bază pentru reacţia de fuziune este atomul de hidrogen, care este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia se roteşte un electron. Există şi un hidrogen de două ori mai mai greu - izotop al hidrogenului, cu denumirea de deuteriu - care are aceleaşi proprietăţi cu hidrogenul descris mai înainte, dar al cărui nucleu este alcătuit dintr-un proton şi un neutron, acesta din urmă fiind o particulă practic de aceeaşi greutate ca protonul, neutră din punct de vedere electric. Există şi un izotop şi mai greu al hidrogenului, denumit tritiu, care este radioactiv şi al cărui nucleu are un proton şi doi neutroni. Reacţia de fuziune în care din cele doua nuclee de hidrogen greu se obţine un nucleu de heliu s-ar putea reprezenta ca în figura 1.
reactia de fuziune deuteriu - deuteriuFig. 1. Reacţia de fuziune deuteriu – deuterium

După cum se vede, din reacţia arătată mai sus, la ciocnirea a doua nuclee de deuteriu rezultă un nucleu de heliu (particula alfa), cu o energie de 0.82 MeV, şi un neutron liber, care are o energie de 2.45 MeV. Masa elementelor care intră în reacţie este mai mare decât masa elementelor rezultate, defectul de masă regăsindu-se în conformitate cu relaţia lui Einstein în energia particulelor rezultate:
E=ΔM x c2,
unde E este energia particulelor după reacţie, ΔM defectul de masă, iar c2 pătratul vitezei luminii. O asemenea reacţie nu poate avea loc însă cu uşurinţă, din mai multe motive. În primul rând nucleele au dimensiuni foarte mici, de ordinul 10 la -13, adică de 100.000 de ori mai mici decât dimensiunile atomilor. Rezultă de aici că probabilitatea de realizare a reacţiilor termonucleare este de milioane de ori mai mică decât cea a reacţiilor chimice. În al doilea rând, pentru a realiza reacţia de fuziune, cele doua nuclee de deuteriu trebuie să se apropie la distanţe foarte mici - de ordinul de mărime a dimensiunilor lor. Aceste nuclee sunt încărcate cu sarcina electrică pozitivă, deci se resping cu atât mai mult cu cât distanţa dintre ele este mai mică. Calculele au arătat că pentru a învinge aceste forţe şi pentru a se contopi într-o nouă particulă, nucleele de deuteriu trebuie să aibă energii de ordinul a 0.1 MeV. Pentru a avea asemenea energii, temperatura gazului constituit din nucleele grele trebuie să fie mai mare de 100 milioane grade, temperaturi la care materia nu poate exista decât în stare de plasmă.
Există posibilitatea de a realiza reacţia de fuziune la temperaturi ceva mai scăzute, dacă se utilizează drept combustibil, amestecul deuteriu - tritiu.
D2+ T2→ He + n + Energie

O astfel de reacţe (Fig. 2) necesită, pentru amorsare, o temperatură de peste 50 milione de grade.

reactia de fuziune deuteriu - tritiuFig. 2 - Reacţia de fuziune deuteriu - tritium

2. Instalaţii pentru realizarea fuziunii nucleare controlate

Cele mai promiţătoare căi pentru obţinerea reacţiei termonucleare par să fie numai două, şi anume fuziunea în instalaţii de tip Tokamak şi fuziunea cu radiaţie laser, dar există şi alte câteva instalaţii experimentale făcute în laborator, în directia reacţiei termonucleare controlate.

Instalaţia cu capcană magnetică
Limitarea plasmei faţă de pereţii tubului se poate face cu ajutorul instalaţiei cu oglinzi magnetice. Într-o asemenea configuraţie a câmpului magnetic nu există nici o limitare pentru pierderile de particule din plasmă pe la capetele tubului. Aceste pierderi pot fi diminuate alegând o forma specială a câmpului magnetic la capetele tubului, realizându-se aşa-numita capcană magnetică. O asemenea configuraţie se poate realiza alegând câte o bobină suplimentară, aşezată la fiecare capăt al tubului ce conţine plasmă. În asemenea configuraţie de capcană magnetică există încă pierderi de particule încărcate pe la capetele tubului, calculele arătând că aceste pierderi au loc pentru particulele care se apropie de extremităţi pe o direcţie apropiată de axa tubului.

Instalaţia de fuziune tip Tokamak

Configuraţia anterioară de capcană magnetică prezintă inconvenientul de a permite pierderi de particule pe la capetele tubului. O idee pe cât de simplă pe atât de ingenioasă a eliminat acest inconvenient, unind capetele tubului cu plasma, care va arata ca un covrig (figura 3). Plasma din interiorul acestui tub inelar, denumit tor, va fi menţinută departe de pereţii incintei toroidale de către câmpul magnetic produs de curentul ce trece prin bobinajul cu care este înfăşurat.

toroidalaFig 3 - Forma incintei toroidale cu plasmă (instalaţie tip Tokamak)

Pentru a înţelege modul în care se realizează plasma de temperatură înaltă în instalaţia Tokamak, vom face referire la figura 4. Plasma care se afla în torul de raza R formează secundarul unui grup de transformatoare dintre care în figură se arată numai unul. În plasmă, care după cum se ştie poate fi considerată un conductor, apar curenţi de inducţie aşa cum apar în secundarul oricărui transformator. Aceşti curenţi de mare intensitate duc la încălzire ohmică a plasmei. În acelaşi timp, curentul care trece prin preajmă produce un câmp magnetic, liniile de câmp magnetic fiind cercuri concentrice în jurul şnurului de plasmă, câmp care poartă denumirea de câmp magnetic poloidal. Deoarece acest câmp nu este suficient de mare pentru a asigura stabilitatea plasmei şi cu atât mai puţin confinarea ei, torul care conţine plasma trece printr-un număr de bobine care produc un câmp magnetic intens, toroidal, de-a lungul şnurului de plasmă.
Cele prezentate aici simbolizează o imagine principală, mult simplificată a instalaţiei Tokamak. Experienţele efectuate au arătat că, în asemenea instalaţii, prin încălzirea plasmei pe cale ohmică nu se poate atinge o temperatura a plasmei de 3 keV (30 milioane de grade), faţă de necesarul de 5 keV pentru a porni reacţii termonucleare. Soluţia propusă şi pentru care se fac cercetări intense în prezent este ca restul de energie să fie introdus prin injectarea in Tokamak a particulelor neutre de deuteriu şi tritiu, dar care să aibă energii cât mai mari.

schema reactor de fuziune tfrFig. 4 Elementele constructive esenţiale ale unei instalaţii tip Tokamak

3. Construcţia reactorului de fuziune

Cercetătorii au făcut deja evaluarea problemelor care se pun în domeniul ingineriei concepţiei unui reactor cu fuziune deuterium-tritiu. Calculul parametrilor acestor reactori se face ţinând seama de următoarele considerente:
- se consideră că o mare parte din energia termonucleară eliberată se prezintă sub formă de energie cinetică a neutronilor rapizi. Aceasta poate fi exploatată numai prin cicluri termice convenţionale;
- energia particulelor încălzite se poate utiliza atât pentru conversie directă în energie electrică cât şi pentru înclăzirea combustibilului deuterium-tritiu rece până la temperatura de reacţie necesară autoîntreţinerii unui reactor;
- pentru a produce câmpurile magnetice necesare confinării plasmei trebuie să se utilizeze bobine supraconductoare, bine protejate contra fluxurilor de neutroni rapizi;
- studiile asupra dispersiei şi a absorbţiei neutronilor au dus la concluzia că trebuie să existe o pătură de protecţie cu grosimea de cel putin un metru;
- ordinul de mărime pentru cea mai mare dimensiune a configuraţiei de confinare va fi determinat de mărimea ansamblului reactorului;
- acoperirea pereţilor, care conţin litiu pentru a crea tritiu, vor fi parcurse de circuite de fluid schimbător de căldura destinate extragerii de energie. Ca fluid se preferă sarea Li2BeF4, fluorura de litiu şi de beriliu topită sau litiu lichid.

Figura 5 este o schiţă generală care arată o secţiune în camera unui posibil reactor de fuziune de tip Tokamak, în care se presupune că are loc reacţia termonucleară.

Condiţii de funcţionare pentru un reactor de fuziune nucleară

Realizarea unei reacţii termonucleare este echilibrată cu obţinerea unei „stele" în laboratoarele terestre, adică, obţinerea plasmei termonucleare.

Fig.5 - Reprezentarea schematică a construcţiei reactorului de fuziune TFR

În esenţă, oricare reacţie exoenergetică se poate autointreţine fie printr-un proces de tip combustie (cazul reacţiilor nucleare), fie printr-un proces de tip explozie (cazul bombei atomice). Fuziunea nu este - în mod fundamental - diferită: deosebirea principală rezultă din viteza de propagare a fenomenelor. În cazul combustiei, analog cu cel al fuziunii nucleare, punctul de aprindere este atins atunci când căldura degajată de combustie este destul de mare pentru a menţine reacţia.
Este ştiut că pentru a realiza orice combustie continuă, trebuiesc îndeplinite următoarele condiţii :
- combustibilul să fie adus la o temperatură superioară punctului său de aprindere;
- cantitatea de combustibil să fie suficientă pentru ca pierderile să fie inferioare energiei degajate şi pentru ca reacţia să se autoîntreţină;
- căldura produsă pe această cale trebuie să fie „controlată", adică, să servească - de exemplu - la vaporizarea apei şi la încălzirea vaporilor produşi pentru a realiza o maşina puternică.
Condiţiile necesare pentru a menţine o reacţie de fuziune şi a realiza un reactor „termonuclear" sunt analoage.
- mai intâi, se va încălzi combustibilul nuclear, sub formă de plasmă, până la punctul de aprindere (câteva sute de milioane de grade);
- se va menţine la aceasta temperatura un timp destul de lung pentru ca reacţiile de fuziune să degaje o cantitate suficientă de energie, apoi se va extrage şi se va utiliza aceasta energie. O condiţie absolut necesară este de asemenea, ca reacţia de fuziune să fie exoenergetică. Reacţia de fuziune nucleară va fi cu atât mai exploatabilă, cu cât pentru un proiectil de energie cinetică dată, secţiunea sa eficace va fi mai mare, constatându-se ca reacţiile (D-T), răspund cel mai bine la aceasta condiţie. Se pune problema determinării temperaturii la care trebuie adusă plasma de deuteriu pur sau a unui amestec echiatomic de deuterium şi tritiu, pentru ca agitaţia termică să fie astfel încât energia cinetică relativă medie a deuteronilor să posede o valoare pentru care secţiunea eficace a a reacţiei (D-T) să fie suficientă.

Despre modul cum au reuşit dar mai ales cum intentionează cercetătorii să transpună în realitate construcţia viitorului reactor de fuziune în cadrul proiectului ITER, în numărul viitor.
- Va urma -

footer