Nicio activitate economico-socială nu poate fi imaginată fără consum de energie, iar în condițiile creșterii populației globului până în 2050 de la 7 la 10 miliarde de locuitori, cererea de energie curată se va tripla. In ciuda intrării în conștiința publică prin aplicațiile sale militare (bombele de la Hiroshima și Nagasaki) și în ciuda accidentelor de la Cernobîl și Fukushima, energia nucleară rămâne o sursă de energie care, pe lângă certe avantaje economice, prezintă și foarte mari avantaje ecologice.
Nicio sursă de energie nu este absolut sigură, nici chiar morile de vânt nu sunt lipsite de accidente. În acest context, „îmblânzirea” fuziunii nucleare oferă perspectiva clară a unei viitoare surse de energie curată și aproape inepuizabilă pentru cel puțin o mie de ani. Specialiștii au reușit să producă „plasme” cu temperaturi de milioane de grade și să producă pentru câteva secunde câțiva megawați de curent electric. Practic, cercetătorii urmăresc ca, în cadrul a două proiecte (JET și ITER) de mare anvergură, să reproducă pe Pământ procesul din Soare, devenind astfel viitori „făcători de stele”.
UN „SOARE ARTIFICIAL” PE PĂMÂNT
Fuziunea nucleară reprezintă procesul prin care nucleele a doi atomi ușori se combină (fuzionează) pentru a forma un atom mai greu, proces însoțit, ca și în cazul fisiunii, de eliberarea unei imense cantități de energie (de 3 ori mai mare decât în cazul fisiunii). Fuziunea nucleară este procesul care alimentează cu energie atât Soarele, cât și alte stele. Elementul de bază pentru reacția de fuziune este atomul de HIDROGEN, prin cei doi izotopi ai săi deuteriu și tritiu.
D2+ T2–> He + n + Energie (17,6 MeV)
Pentru a realiza reacția de fuziune, cele două nuclee de deuteriu trebuie să se apropie la distanțe foarte mici, de ordinul de mărime a dimensiunilor celor doi atomi. Dar aceste nuclee sunt încărcate cu sarcină electrică pozitivă, deci se resping cu atât mai mult cu cât distanța dintre ele este mai mică.
Calculele au arătat că pentru a învinge aceste forțe și pentru a contopi nucleele 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 ºC, temperaturi la care materia nu poate exista decât în stare de „plasmă”. După cum se știe, plasma este a patra stare de agregare a materiei, un amestec de ioni, electroni și particule neutre (atomi sau molecule), aflat la o temperatură foarte ridicată, ce poate fi asemuită unui gaz total sau parțial ionizat.
Reproducerea pe Pământ a procesului de fuziune nucleară din Soare prin exact același mecanism nu este posibilă. În centrul Soarelui, presiunea gravitațională are o valoare imensă și aceasta permite desfășurarea procesului de fuziune la temperaturi în jurul a 10 milioane ºC. Astfel de presiuni superînalte nu s-au putut obține încă pe Pământ.
De aceea, pentru a face izotopii de hidrogen să fuzioneze la o presiune mai mică (de zece miliarde de ori mai mică decât cea din Soare) este necesară aducerea acestora în starea de plasmă și încălzirea acesteia la 100-150 milioane de grade Celsius. Pentru a atinge astfel de temperaturi, este necesară nu numai încălzirea puternică a plasmei, dar și minimizarea pierderilor prin ținerea plasmei departe de pereții incintei ce o conține.
Aceasta se poate realiza prin plasarea ei într-o „cușcă” toroidală generată de câmpuri magnetice puternice care previn evadarea particulelor încărcate electric prin plasma respectivă. Acest proces denumit „confinare magnetică” constituie cea mai avansată tehnologie a momentului și formează baza programului de fuziune termonucleară. Nucleele de heliu (în fapt particule alfa), fiind încărcate electric și având o energie de 3,5 MeV, se încetinesc în plasma confinată magnetic și transferă energia lor masei de plasmă pe care o străbat.
Acest proces ce se desfășoară în dispozitive/mașini suficient de mari (tokamakuri/ stellaratore), permite ca temperatura necesară procesului de fuziune să se autoîntrețină. TOKAMAK reprezintă acronimul din limba rusă pentru camera toroidală. În plus, neutronii rezultați din reacția de fuziune au o energie de 14 MeV, nu sunt reținuți în plasma confinată, ci o străbat atingând „pătura”, învelișul ce înconjoară plasma și acoperă pereții torusului, unde energia lor este absorbită.
Tocmai în acest înveliș, litiul în contact cu neutronii se transformă în tritiu care este introdus în camera depresurizată (reactor) ca și combustibil. Într-o centrală nucleară bazată pe fuziune nucleară, un agent de răcire va prelua această căldură de absorbție și întocmai ca într-o centrală clasică acest agent de răcire ajunge în schimbătoare de căldură unde poate produce abur pentru a pune în mișcare turbinele și a produce electricitate.
PAȘI PE CALEA ÎMPLINIRII UNUI VIS
Speranța împlinirii acestui vis a căpătat contur odată cu dezvoltarea proiectului Joint European Thorus (JET), practic cea mai mare instalație experimentală de fuziune din lume ce deține recordul mondial pentru puterea și durata dezvoltate prin fuziune nucleară.
Proiectul a fost lansat în 1973, experimentele au progresat rapid și, în 1991, a fost realizată pentru prima dată reacția de fuziune nucleară pe Pământ, eliberându-se o energie de 1,7 MW.Până în 1997, s-au obținut energii în medie în jurul a 10 MW, maximum de performanță fiind atins la valoarea de 16 MW pentru câteva secunde, fapt ce constituie și azi recordul absolut în materie de energie nucleară de fuziune.
Astăzi, JET este un centru de excelență al cercetării de fuziune nucleare și constituie un „cap de pod” către următorul proiect – International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Acest prim reactor experimental de fuziune nucleară (ITER) din istorie va fi construit, în următorii 10-15 ani, la Cadrache (Franța) instalația urmând a funcționa pentru cel puțin 20 de ani.
Proiectul ITER păstrează elementele de bază ale proiectului JET și va fi, practic, o extrapolare a instalației JET. Ținta noului reactor de fuziune o reprezintă dezvoltarea unei puteri de aproximativ 500 MW pentru circa 6 minute, urmând ca, ulterior, instalația să poată fi extinsă la funcționare staționară. Realizarea proiectului ITER va costa 10 miliarde de Euro (13 miliarde de dolari) și este susținută financiar de Uniunea Europeană, Japonia, Rusia, Coreea de Sud, Statele Unite și China.
În cazul reactorului ITER factor de multiplicare a energiei (raportul între energia generată prin fuziune și cea injectată plasmei pentru a atinge masa critică) este de 10, dar reactoarele de fuziune ale viitorului ar putea avea valori ale factorului de multiplicare de peste 40 sau 50. În paralel cu proiectul ITER va fi inițiat și lucrul la reactorul de fuziune demonstrativ „DEMO” al cărui obiectiv il reprezintă generarea pentru prima dată a unei puteri de 2000 MW și să-și producă singur tritiul necesar drept combustibil.
Unul dintre cele mai importante obiective secundare îl reprezintă cel al dezvoltării de materiale structurale, optimizate pentru condițiile de lucru din reactoarele termonucleare (materiale greu activabile). Aproape perfect curată, practic nelimitată fuziunea nucleară rămâne cea mai promițătoare sursă de energie a viitorului cu condiția să reușim să o „îmblânzim”.
Prin Institutul Național Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice de la Rm. Vâlcea, prin Institutul de Fizică Atomică „Horia Hulubei”- București și prin Sucursala de Cercetări Nucleare – Pitești, România este și ea parte la acest uriaș proiect, aducându‑și o contribuție însemnată și recunoscută pe plan internațional.
