De când am auzit despre producerea energiei cu ajutorul fuziunii controlate, asta se întâmpla pe vremea frumoasă a copilăriei, se spunea că ea va deveni operațională peste vreo patru decenii. Lucrurile nu s-au schimbat foarte mult până în urmă cu câțiva ani. Adică tot patru decenii mai avem de așteptat. Din fericire lucrurile par să se schimbe, din momentul în care în domeniul fuziunii nucleare controlate s-au implicat companiile private. Am senzația că vom asista la evoluții spectaculoase, la fel cum s-a întâmplat cu implicarea SpaceX în domeniul spațial.
Un studiu realizat în 2021 de către Fusion Industry Associatin (FIA) în domeniul fuziunii nucleare comerciale, în prezent, sunt implicate mai mult de 30 de întreprinderi private. Dintre ele, 18 au investit 2,4 miliarde de dolari, fonduri care au provenit aproape în totalitate din fonduri private. Vestea asta, cred eu, ne poate îndreptăți la speranțe întemeiate. Vreau să vă dau câteva exemple.
General Fusion
General Fusion este o companie canadiană care are drept obiectiv declarat: ”dezvoltarea primei centrale comerciale bazate pe fuziunea nucleară”. Cercetătorii companiei își propun să realizeze ceea ce se numește ”fuziune cu țintă magnetizată” (Magnetized Target Fusion). Pentru aceasta este folosită o incintă aflată în mișcare de rotație rapidă în care se află un amestec lichid de litiu și plumb. Datorită forței centrifuge, în centrul centrifugei apare o cavitate în care se introduce plasmă. Imediat după asta se introduce, cu ajutorul onor pompe speciale, o cantitate suplimentară din amestecul de metale lichide. Astfel plasma e comprimată într-un interval de câteva zeci de milisecunde și este amorsată reacția de fuziune. Apoi din incintă este eliminată o parte din lichidul metalic după care procesul se reia cu o cadență de o fuziune pe secundă.
Un aspect interesant: acest reactor de fuziune nucleară produce cantități semnificative de tritiu, un izotop al radioactiv al hidrogenului, care are nucleul format din doi neutroni și un proton. El rezultă în urma bombardării litiului lichid de către neutronii generați în timpul reacției nucleare. Tritiul este extrem de valoros, putând fi folosit tocmai în reactoarele de fuziune nucleară. Altfel spus reactorul conceput de către General Fusion își produce singur combustibilul.
În ultimii ani compania a depășit multe obstacole dificile, iar la începutul acestui an a pus în funcțiune un prim demonstrator tehnologic ce pare că oferă rezultate promițătoare. General Fusion speră că va reuși să operaționalizeze primul reactor comercial cu fuziune nucleară la începutul anilor 2030. Un detaliu, cred eu, interesant: printre finanțatorii companiei se află și Jeff Bezos…
TAE Technologies
TAE Technologies este o companie americană cu capital privat înființată în 1998, care își propune să realizeze centrale comerciale bazate pe fuziunea nucleară. Proiectul pe care îl au în vedere este unul extrem de îndrăzneț. Se are în vedere folosirea unui concept despre care am auzit abia cu puțin timp în urmă. Este vorba despre fuziunea nucleară aneutronică.
Așa cum îi spune numele, fuziunea aneutronică este o versiune a fuziunii nucleare în care nu mai rezultă neutroni. Este bine de știut că în cazul fuziunii nucleare obișnuite, cum este cea care se produce în nucleele stelelor, 80% din energia rezultată în urma reacției este preluată de către neutronii rezultați. În cazul fuziunii aneutronice energia este eliberată sub formă de protoni sau particule alfa (particule alcătuite din doi protoni și doi neutroni). Un reactor care se bazează pe acest tip de fuziune va fi mai ecologic decât unul ce se bazează pe fuziunea clasică, va folosi drept combustibil materiale ieftine și nu va avea nevoie de turbine pentru generarea energiei electrice. Toate aceste avantaje vin, așa cum se întâmplă întotdeauna, cu un preț. Pentru obținerea fuziunii nucleare aneutronice sunt necesare temperaturi de circa un miliard de grade Kelvin!
TAE Technologies își propune să realizeze fuziunea nucleară între nuclee de bor și nuclee de hidrogen (protoni). Practic, se dorește realizarea unui câmp magnetic cilindric cu ajutorul unor solenoid, soluție inspirată de acceleratoarele de particule. Câmpul magnetic face ca plasma în jurul axei reactorului, ceea ce îi asigură stabilitatea, nemaifiind necesare alte câmpuri magnetice externe, care sunt necesare în cazul reactoarelor de fuziune nucleară clasice. Acceleratoare de particule injectează ioni de carburant pe o direcție tangențială cu cea a plasmei din interiorul reactorului, ceea ce duce la creșterea temperaturii plasmei prin injectarea de moment unghiular.
În anul 2021, modelul demonstrativ numit Norman a reușit să obțină plasmă încălzită la temperaturi de peste 50 de milioane de grade.
În prezent este în lucru un nou demonstrator, numit Copernicus, în care se speră să se obțină un câștig net de energie prin fuziunea dintre nuclee de deuteriu și tritiu prin atingerea de temperaturi de aproximativ 100 milioane de grade Kelvin.
Dacă va avea succes,Copernicus va fi urmat, în a doua jumătate a deceniului 2020 de un alt demonstrator, numit Da Vinci. Acesta va folosi drept combustibil nuclee de hidrogen și bor, iar plasma din interiorul reactorului va atinge temperaturi mai mari de un miliard de grade Kelvin, putându-se astfel declanșa reacții de fuziune. Se speră ca acest eveniment să se producă mai înainte de finalul acestui deceniu.
Tokamak Energy
Compania Tokamak Energy, așa cum îi spune și numele, își propune să folosească o soluție clasică, propusă de către fizicienii sovietici cu decenii în urmă, tehnologie ce va fi folosită la ITER, un reactor cu fuziune nucleară care se construiește în prezent în Franța și care este finanțat din fonduri publice.
În principiu, într-un reactor de tip Tokamak plasma fierbinte este confinată în interiorul unui tor, cu ajutorul unor câmpuri magnetice intense generate de niște electromagneți supraconductori.
La Tokamak Energy, o echipă de 165 de specialiști lucrează la un reactor de tip Tokamak de mici dimensiuni, de formă sferică. Poate că vă întrebați unde a dispărut torul. Nu a dispărut. A rămas în continuare. Imaginați-vă un covrig la care gaura din mijlocul său are un diametru extrem de mic.
”Calea noastră către energia bazată pe fuziune nucleară este unică. Ne folosim de știința deja consacrată pentru a construi reactoare Tokamak sferice împreună cu electromagneți supraconductori la temperaturi înalte”, se arată pe site-ul companiei.
Tot aici aflăm ce aduce nou această abordare. ”Înlocuind plasma în formă de tor cu cea în formă sferică se obține o confinare mai eficientă. Alan Sykes a descoperit că este astfel posibil să se obțină o presiune a plasmei mult mai mare la același câmp magnetic. Studii experimentale realizate în anii 1980 experimente realizate de către echipe conduse de către Alan Sykes și Mikhail Gryaznevich […] au confirmat acest lucru.” (Alan Sykes și Mikhail Gryaznevich fac parte dintre fondatorii companiei britanice.) Apelând la un Tokamak sferic se poate deschide calea către construirea de reactoare nucleare de fuziune relativ ieftine.
Cea de-a doua componentă importantă este reprezentată de electromagneții supraconductori la temperaturi ”înalte” pe care le vor fi folosite în proiectul Tokamak Energy. Ele sunt realizate, sub formă de benzi mai subțiri de 0,1 mm, fabricate dintr-un aliaj compus din bariu și oxid de cupru, care devine supraconductor la temperaturi cuprinse între -200 și -250 grade Celsius. Supraconductorii clasici trebuie răciți până la o temperatură de -269 grade Celsius. Diferența de temperatură poate să nu vi se pară prea mare dar ea echivalează cu o mare economie de energie. Și mai există un aspect important: la -269 grade Celsius, heliul este suprafluid, un adevărat coșmar pentru inginerii care se ocupă cu sistemele de etanșare ale sistemului. Imaginați-vă că el poate trece prin vase capilare cu diametrul de câteva zeci de nanometri. În cazul supraconductorilor la temperaturi înalte poate fi folosit azotul lichid, care este mai ieftin de cât heliul și care nu prezintă problema supraconductivității. În luna august 2021 Tokamak Energy a anunțat că a reușit să realizeze un electromagnet supraconductor de forma cerută de proiect.
La începutul anului 2022, compania a anunțat că a obţinut plasmă cu temperatura de 100 milioane de grade Celsius cu ajutorul demonstratorului tehnologic ST40 și că speră că nu vor trece mulți ani până la producerea primului său reactor comercial bazat pe fuziunea nucleară.
Commonwealth Fusion Systems
Compania Commonwealth Fusion Systems (CFS) a fost înființată de către Plasma Science and Fusion Center al prestigioasei universități americane MIT. Și în acest caz avem de-a face cu un sistem de tip Tokamak, care folosește electromagneți supraconductori la temperatură înaltă fabricați dintr-un aliaj compus din bariu și oxid de cupru.
Încă din 2016, un prim demonstrator tehnologic realizat de CFS, numit Alactor C-mod, finanțat și de către Departamentul Energiei al SUA, a obținut rezultate importante, reușind să depășească recordul de presiune pentru plasma confinată magnetic, un pas important către fuziunea nucleară controlată.
În prezent se află în construcție un al doilea demonstrator tehnologic, numit SPARC, care este programat să intre în funcțiune în 2025. Cu acesta se dorește demonstrarea faptului că soluția este viabilă din punct de vedere comercial, demonstratorul generând energie electrică cu o putere de circa 100 MW.
După parcurgerea acestei etape va demara construcția primei centrale electrice comerciale bazate pe utilizarea fuziunii nucleare controlate.
First Light Fusion
Compania First Light Fusion a fost înființată în 2011 de către universitatea britanică Oxford. Specialiștii ei își propun să obțină fuziunea nucleară prin ceea ce se numește ”confinare inerțială”. În acest caz nu mai avem o confinare magnetică, ci cu ajutorul unei unde de șoc puternice.
Ideea nu este nouă. Ea a fost propusă în anii 1950, ca o soluție alternativă la reactoarele de tip Tokamak. În prezent ea este studiată la National Ignition Facility (NIH) a Laboratoarelor Lawrence Livermore, din California. Aici capsule de mărimea unui bob de mazăre pline cu un amestec de deuteriu și tritiu sunt bombardate cu impulsuri laser de foarte mare putere și cu durata de ordinul nanosecundelor, care vin din mai multe direcții diferite. În ianuarie 2022 la NIH s-a reușit obținerea, prin fuziune nucleară, a unei cantități de energie superioare celei injectate în sistem.
Cercetătorii de la First Light Fusion nu își propun confinarea inerțială a plasmei cu ajutorul laserilor, care sunt mari consumatori de energie, preferând o metodă mai directă: un proiectil care lovește cu mare viteză capsula umplută cu amestecul de deuteriu și tritiu. Nu am găsit multe detalii la First Light Fusion, dar știu că se va folosi un tun electromagnetic care va fi capabil să tragă cu proiectile care vor atinge viteza de 50 km/s. În prezent este operațional modelul M3, capabil să tragă proiectile cu viteza de ”numai” 20 km/s.
Pe pagina web a First Light Fusion nu am reușit, deocamdată, să găsesc o planificare pentru realizarea primului lor prototip de centrală comercială bazată pe fuziunea nucleară controlată.
Încheiere
Da, merită să avem speranțe. Eu mi le pierdusem în urmă cu câțiva ani. Vedeți dumneavoastră? Virusul Elon Musk începe să se răspândească din ce în ce mai rapid. Sper ca același lucru să se producă și în alte domenii la fel de importante pentru viitorul civilizației noastre
