Revista Art-emis
Fuziunea termonucleară (3) PDF Imprimare Email
Dr. Chim. Gheorghe Ioniţă   
Duminică, 11 Septembrie 2011 18:49

Ionita Gheorghe„Mulţi oameni privesc lucrurile aşa cum sunt şi se întreabă, de ce? Eu privesc lucrurile aşa cum ar trebui să fie şi mă întreb: de ce nu?" (John Fitzgerald Kenedy)

Proiectul ITER - „Un Soare artificial"


Am arătat în numerele precedente, bazele şi mecanismul producerii procesului de fuziune, faptul că fuziunea nucleară ar putea constitui sursa de energie curată şi inepuizabilă a viitorului omenirii. Fuziunea nucleară este procesul care alimentează cu energie atât Soarele cât şi alte stele. Soarele şi stelele nu sunt altceva decât sfere de plasmă compuse în principal din hidrogen. În centrul Soarelui, datorită presiunii gravitaţionale imense este posibilă desfăşurarea procesului de fuziune nucleară, la temperaturi în jurul a 10 milioane de grade Celsius. Ideea este de a fuziona doi izotopi ai hidrogenului (deuteriu, tritiu) care ar forma astfel un atom de heliu, cu eliberarea unei imense cantităţi de energie. Reacţia după cum am mai subliniat este similară celei care alimentează Soarele eliberând mari cantităţi de energie în baza faimoasei ecuaţii a lui Einstein: E=mc². Astfel o jumătate de procent din masa izotopilor hidrogenului este convertită în radiaţie electromagnetică, respectiv în lumină, care în cea mai mare parte se pierde în spaţiu. Doar a miliarda parte din lumina emisă, cade pe Pamânt, dar suficienta pentru a asigura viaţa pentru miliarde de ani, ciclul apei etc. Reproducerea prin acelaşi mecanism a procesului de fuziune nucleară din Soare pe Pământ nu este posibilă. Pentru a face izotopii de hidrogen să fuzioneze este necesar ca aceştia să aibă o energie cinetică (viteză) suficient de mare încât să învingă, la coliziune, forţele de respingere electrostatice dintre ei. Aceasta energie cinetică poate fi obţinută numai încălzind amestecul celor doi izotopi (deuteriu şi tritiu) la temperaturi de 100-150 milioane de grade Celsius. Practic la aceasta temperature (începând cu peste 10 000C), toţi atomii sunt ionizaţi şi electronii separaţi de nuclee rezultând un amestec neutru de electroni şi ioni ce definesc a IV stare stare a materiei, PLASMA. (figura1)

Pentru atingerea acestei temperaturi nu este suficientă încălzirea plasmei la astfel de temperaturi uriaşe ci şi minimizare pierderilor de căldură prin menţinerea plasmei departe de pereţii incintei ce o conţine. Aşa cum am arătat anterior, una dintre metodele cele mai eficiente pentru realizarea acestui deziderat o constituie plasarea plasmei intr-o „cuşca" toroidală generată de câmpuri magnetice puternice care împiedică evadarea particulelor din plasmă încărcate electric, proces denumit „confinare magnetică". (Cercetările au pus în evidenţă şi alte posibilităţi de realizare pe pămant a a fuziunii nucleare, între care cea mai importantă şi promiţătoare o reprezintă fuziunea cu laser).

Imaginea plasmeiFigura 1. Imaginea plasmei obţinută în cadrul unui experiment în cadrul JET, la Culham (Marea Britanie)

Practic, diferenţa de abordare în realizarea fuziunii nucleare pe Pământ constă în faptul că în Soare, procesul se desfasoară la presiuni uriaşe şi temperaturi mai mici (10 miloane de grade) iar pe Pământ procesul se desfaşoară la presiuni mai mici, dar la temperaturi de 10-15 ori mai ridicate, combustibilul fiind însă acelaşi - izotopii hidrogenului - deuteriul şi tritiul. Mai există o particularitate a fuziunii nucleare terestre. Dacă Soarele şi stelele sunt alcătuite în principal din hidrogen (cu izotopii săi, protiu, deuteriu şi tritiu), pe Pământ tritiu nu există în mod natural decât în cantităţi infime. În schimb celălalt izotop, deuteriul, este un izotop natural neradioactiv care poate fi extras relativ cu uşurinţă din apă, fiecare metru cub de apă conţinând in medie câte 35 grame de deuteriu. Cât priveşte tritiul, celălalt izotop, parte a procesului de fuziune: D + T → 4 He + n + 17,6 MeV; (Deuteriu + Tritiu → Heliu (particule alpha) + Neutroni + Energie) acesta poate fi uşor produs din litiu (un metal foarte abundent în natură). Nucleele de heliu (în fapt particule alpha), fiind încărcate electric şi având o energie de 3,5 MeV, se încetinesc în plasma confinată magnetic şi transferă energia lor, masei de plasmă pe care o străbat. Acest proces ce se desfăşoară în dispozitive/maşini suficient de mari (tokamakuri/stellaratore) permite ca temperatura necesară procesului de fuziune să se autoîntreţină.

TOKAMAK, reprezintă acronimul din limba rusă pentru camera toroidală. În plus neutronii rezultaţi din reacţia de fuziune au o energie 14 MeV (80 % din energia eliberată în proces şi în plus nu sunt retinuţi în plasma confinată, ci o străbat atingând „patura", învelişul ce înconjoară plasma şi acoperă pereţii torusului, unde energia lor este absorbită. Tocmai în acest înveliş, litiul în contact cu neutronii se transformă în tritiu care este introdus în camera depresurizată (reactor) ca şi combustibil. Într-o centrală nucleară bazată pe fuziune nucleară, un agent de răcire va prelua această căldură de absorbţie şi întocmai ca într-o centrală clasică acest agent de răcire ajunge în schimbatoare de căldură, unde poate produce abur pentru a pune in miscare turbinele şi a produce electricitate.

Imaginea plasmei in tokamacFigura 2 - Imaginea plasmei într-un TOKAMAK. Consumul de combustibil al unei centrale de fuziune nucleară este extrem de redus. O cantitate de combustibil ce ar putea fi transportată într-un singur camion ar fi suficientă pentru a furniza energia necesară unui oras cu un milon de locuitori pentru un an de zile. O centrală nucleară de fuziune cu o putere de 1 GW va necesita aproximativ 100 kg de deuteriu (ce se pot obţine din 2.800 tone apă de mare) şi 150 kg de tritiu (obtenabil din 10 tone de litiu natural) pentru o durată de operare de un an de zile, generând astfel 7 miliarde de kWh. Pentru comparaţie, o termocentrală clasică pe cărbuni ar consuma - pentru a genera aceeasi cantitate de energie - aproape 1,5 miloane tone de cărbuni. Realizarea procesului de fuziune pe Pământ într-un mod care va elibera în mod controlat cantităţi uriaşe de energie a constituit o aspiraţie veche a fizicienilor. Pentru a realiza acest vis, după cercetări îndelungate, specialiştii au reuşit să producă plasme cu temperaturi de milioane de grade şi să producă pentru câteva secunde câtiva megawati de curent electric.

În Europa, cercetarea în domeniul fuziunii nucleare a fost dezvoltată în cadrul proiectului Joint European Thorus (JET), practic cea mai mare instalaţie experimentală de fuziune din lume, ce deţine recordul mondial pentru puterea şi durată dezvoltate prin fuziune nucleară. Aproximativ 2000 de oameni de ştiinţă şi ingineri lucrează şi în prezent la o gama largă de proiecte de cercetare-dezvoltare în domeniul fuziunii nucleare, în mai mult de 20 de laboratoare. Acest tip de proiect este mult prea mare şi complex pentru a putea fi susţinut atât finaciar cât şi ştiinţific de către o singură ţară şi de aceea cercetările se dezvoltă prin colaborarea ştiintifică a statelor participante la cele şapte programe cadru de cercetare, dezvoltate pâna acum. Proiectul a fost lansat în 1973, până în 1975 fiind realizată propunerea de proiect, ca mai apoi să înceapă lucrările de realizare la Culham (lângă Oxford, în Marea Britanie). În 1983 a început operarea instalaţiei nucleare pe bază de fuziune nucleară. Experimentele au progresat rapid şi în 1991, a fost realizată pentru prima dată reacţia de fuziune nucleară pe Pământ, eliberându-se o energie de 1,7 MW. Până în 1997 s-au obţinut energii în jurul a 10 MW, maximum de performanţă fiind atins la valoarea de 16 MW pentru câteva secunde, fapt ce constituie şi azi recordul absolut în materie de energie nucleară de fuziune. Începând cu ianuarie 2000, coordonarea proiectului şi implementarea rezultatelor ştiinţifice, a noilor îmbunătăţiri şi perfecţionări se realizează în cadrul unui nou acord de colaborare ştiinţifică europeană sub egida European Fusion Development Agreement (EFDA), iar din 2002, instalaţia (maşina) a repornit după o oprire în care au fost implementate îmbunătăţitiri majore. Practic, astăzi JET este cea mai mare instalaţie de fuziune din lume, singura capabilă să lucreze cu combustibil deuteriu-tritiu, indeplinindu-şi şi chiar depăşindu-şi unele obiective. Astăzi JET este un centru de excelenţă al cercetării de fuziune nucleară şi constituie un „cap de pod" către următorul proiect - International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER - traducere din latina, cale/drum).
Instalatie toroidala tokamak jetFigura 3. Imagine din interiorul camerei toroidale a Tokamak-ului de la JET

Elementele de bază ale proiectului ITER păstreaza elementele de bază ale proiectului JET (cu al său record mondial de 16 MW putere produsă prin fuziune nucleară) şi va fi practic o extrapolare a instalaţiei JET făcută pe baza modelării ce utilizează cunoştiinţele actuale acumulate. Puterea preconizată a instalaţiei ITER este de aproximativ 500MW pentru circa 6 minute pentru ca mai târziu instalaţia să poată fi extinsă la funcţionare staţionară. Principalii săi parametrii, în comparaţie cu instalaţia JET pot fi urmăriţi în tabelul 1.
Q- reprezintă raportul între energia generată prin fuziune şi cea injectată plasmei pentru a atinge masa critică. Reactoarele de fuziune ale viitorului ar putea avea valori ale factorului de multiplicare de peste 40 sau 50.
Colaborarea în cadrul proiectului ITER se va desfăşura sub auspiciile Agenţiei Internaţionale de Energie Atomică (I.A.E.A.), obiectivul său major fiind acela de a demonstra ştiinţific şi tehnologic fezabilitatea producerii de energie electrică pe calea fuziunii nucleare, respectiv centrale nucleare comerciale pe bază de fuziune nucleară.

jet iterÎn paralel cu proiectul ITER va fi iniţiat şi lucrul la unele părţi ale proiectului DEMO ce necesită timpi lungi de implementare. Obiectivul proiectului DEMO este să se genereze pentru prima dată o putere de 2000 MW, şi să-şi producă singur tritiul necesar drept combustibil. Unul dintre cele mai importante obiective secundare îl reprezintă cel al dezvoltării de materiale structurale, optimizate pentru condiţiile de lucru din reactoarele termonucleare (materiale greu activabile). Primul reactor experimental de fuziune nucleară (ITER) din istorie va fi construit în Franţa, în următorii 10-15 ani, instalaţia urmând să funcţioneze pentru cel puţin 20 de ani. Locul în care urma să fie construit acest reactor experimental a fost subiect de dispută între Japonia şi Franţa, controversa provocând mari întârzieri în derularea proiectului. Uniunea Europeană a sprijinit demersul Franţei de a amplasa reactorul la Cadarache, în apropiere de Marsilia, în timp ce Japonia dorea să-l construiască în localitatea Rokkasho, din nordul arhipelagului nipon. După dispute care au durat peste un an, oferta Franţei a fost aprobată printr-un acord semnat la 21 noimbrie 2006 de peste 30 de state. Prin cele trei institute de cercetare în domeniul nuclear; Institutul de Fizică Atomică „Horia Hulubei" - Bucureşti, Sucursala de cercetări Nucleare - Piteşti şi Institutul de Criogenie şi tehnologii izotopice dela Râmnicu-Vâlcea, România este şi ea parte la acest uriaş proiect, aducându-şi o contribuţie însemnată şi recunoscută pe plan internaţional. Realizarea proiectului International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) va costa 10 miliarde de Euro (13 miliarde de dolari) şi este sustinută financiar de Uniunea Europeana, Japonia, Rusia, Coreea de Sud, Statele Unite şi China. Spre deosebire de fisiunea nucleară, în urma fuziunii nucleare nu rămân decât materiale cu nivel radioactiv scăzut, nu mai periculoase decât deşeurile nucleare medicale. Dar mai ales o reacţie în lanţ scăpată de sub control, precum cea care a cauzat topirea reactorului de la Cernobîl, este imposibilă. Un alt avantaj major al fuziunii nucleare îl constituie faptul că deuteriul şi litiul, utilizaţi ca materii prime, precum şi produsul de reacţie - heliul nu sunt radioactivi iar combustibilul intermediar - tritiul este beta-radioactiv cu un timp jos de înjumătăţire de 12,36 ani. Tritiul, fiind produs direct în instalaţia de fuziune, se evită astfel şi transportul de combustibil radioactiv către centrala nucleară. Reactoarele de fuziune termonucleară nu produc gaze cu efecte de seră sau alţi poluanţi ce ar putea dăuna mediului înconjurator. Neutronii generaţi prin procesul de fuziune activează/contaminează materialele din jurul plasmei, dar alegerea cu grijă a acestor materiale ar putea conduce la eliberarea lor de sub regimul materialelor radioactive după 100 de ani, reducându-se astfel volumul de deşeuri radioactive, mult mai mare şi cu timpi de viaţă îndelungaţi, în cazul actualelor reactoare clasice de fisiune.

„Dacă oamenii de ştiinţă vor reuşi să realizeze acest reactor experimental de fuziune nucleară, ar putea rezolva problemele de energie ale lumii pentru următorii o mie de ani sau chiar mai mult", a afirmat Ian Fells, expert în conversiunea energiei la Royal Academy of Engineering din Marea Britanie. El a comparat acest eveniment cu primii paşi ai omului pe Lună, estimând şansele de reuşita ale proiectului la 50%. „Datorită cooperării ştiinţifice internaţionale, vom face istorie", declara Janez Potocnik, fostul comisar al Uniunii Europene pentru Ştiinta şi Cercetare. După „războiul setelelor" şi „complexul spaţial internaţional", acesta este cel mai bine păzit şi secretizat proiect internaţional, dar şi exemplu de cea mai largă colaborare ştiinţifică internaţională. Fuziunea nucleară ar putea contribui la producţia pe scara largă pe cale nepoluantă a energiei electrice, cel mai târziu în a doua jumătate a acestui secol. Progresele făcute în cercetarea fuziunii nucleare justifică alocarea unor uriaşe resurse financiare şi umane, justifică speranţele pentru îndeplinirea obiectivului - sursa curată şi inepuizabilă de energie - un Soare artificial pe Pământ. Pentru alte argumente şi mai ales pentru o înţelegere avansată a problematicii fuziunii nucleare recomand pasionaţilor şi celor interesaţi de acest domeniu filmul „Starmakers" (Făcătorii de stele)[1], produs de Centru de Cercetări în Fizica Plasmei al Şcolii Politehnice Federale din Elveţia, film realizat în sistem 3D şi care permite o vizită virtuală într-o astfel de instalaţie conducând spectatorul în realitatea virtuală a viitorului energeticii nucleare.

---------------------------------------------------
footer