Energia electrică generată prin intermediul fuziunii nucleare continuă să fie considerată de câteva decenii energia viitorului, o energie sigură, a cărei producere va fi caracterizată de o eficienţă mărită. Cum decurg cercetările în acest domeniu?
"A existat mereu sentimentul că fuziunea este la 50 de ani distanţă", spune Saskia Mordijck, dar ea adaugă că momentul când electricitatea mai eficientă şi mai sigură bazată pe fuziune ne va alimenta căminele chiar se apropie.
Mordijck, profesor asistent în cercetare din cadrul Computer Science Departament de la Colegiul William & Marry (cu activităţi suplimentare în catedrele de fizică şi ştiinţe aplicate), a primit fonduri de la U.S Department of Energy pentru a-şi continua cercetările în domeniul energiei de fuziune. Ea spune că majoritatea oamenilor nu înţeleg decât foarte superficial cum funcţionează fuziunea şi astfel nu prea ştiu care sunt avantajele ei faţă de energia nucleară "tradiţională".
Concepţia unui artist despre cum va arăta jumătatea dreaptă a reactorului tokamak DIII-D atunci când va fi alimentat cu plasmă.
"Energia din fuziune este exact opusul a ceea ce avem de-a lungul râului în Surry, unde există o centrală nucleară" a explicat ea. "Într-o centrală nucleară combustibilul folosit este bombardat cu particule minuscule pentru a-l sparge în bucăţi, iar în acest fel se eliberează energie – aceasta este fisiunea nucleară."
Pentru a realiza fuziunea, spune ea, se iau două particule foarte mici şi se încălzesc la temperaturi suficient de ridicate pentru ca ele să fuzioneze. "Ca rezultat al fuzionării ele vor elibera energie", a explicat Mordijck. "Acest proces este rezumat în E= mc2, faimoasa ecuaţie a lui Einstein. Această ecuaţie este recunoscută de aproape oricine, chiar dacă nu a studiat fizică."
Avantaje multiple faţă de fisiune
Când vine vorba de generarea electricităţii, fuziunea are câteva avantaje în faţa fisiunii şi multe dintre ele se referă la siguranţă. Mordjick spune că motivele obişnuite de îngrijorare ce au legătură cu energia nucleară nu îşi au rostul în cazul fuziunii. Accidente de tipul Fukushima/Chernobyl nu sunt posibile.
"Un lucru bun în ce priveşte reacţia de fuziune este că se opreşte singură în mod automat dacă scapă cumva de sub control. Dacă o reacţie de fisiune scapă de sub control, realmente nu mai poate fi stăpânită", a explicat Mordijck. "Nu o poţi opri şi se poate ajunge chiar şi la topirea miezului reactorului nuclear."
Al doilea set de avantaje ale fuziunii în faţa fisiunii se referă la deşeurile radioactive. Mordijck recunoaşte că o anumită cantitate de deşeuri este inevitabilă, dar o centrală bazată pe fuziune ar genera doar o fracţiune din cantitatea de deşeuri radioactive pe care chiar şi cele mai eficiente centrale cu fisiune le produc. Nu doar că este o cantitate mai mică, dar deşeurile dintr-o centrală bazată pe fuziune rămân periculoase pentru perioade de timp mult mai scurte.
Într-o centrală bazată pe fisiune rezultă o cantitate mare de deşeuri radioactive care rezistă pentru perioade foarte lungi de timp. Durează mai mult decât majoritatea lucrurilor pe care le avem aici pe Pământ, aşa că trebuie să le depozităm undeva. Nu le putem curăţa în niciun mod", a explicat Mordijck. "Pe de altă parte, într-o centrală bazată pe fuziune durata de viaţă a acestor reziduuri este foarte scurtă. După 50 până la 100 de ani, vor dispărea complet şi nu vor fi mai radioactive decât mediul înconjurător, nemaiputând să contamineze nimic."
Reducerea fondurilor îngreunează progresele
Fuziunea nucleară funcţionează perfect în Soare, unde nucleele de hidrogen se unesc creând heliu şi generând energia care ne-a încălzit dintotdeauna. În pofida tuturor potenţialelor avantaje, fuziunea rămâne o tehnologie experimentală şi una slab susţinută financiar, spune Mordijck.
"Când oamenii spun că fuziunea pare să fie mereu la 50 de ani distanţă, noi, cercetătorii în domeniu, scoatem în evidenţă faptul că fondurile noastre au fost reduse în fiecare an, aşa că e greu să înregistrăm progrese".
Morjick spune că pentru a obţine fuziune dincolo de stadiul experimental, ea şi colegii ei cercetători trebuie să rezolve câteva probleme - ştiinţifice şi inginereşti. Unul dintre cele mai dificile seturi de probleme include transferul termic. Provocările încep cu necesitatea de a avea ceva foarte fierbinte lângă ceva foarte rece.
"Imaginaţi-vă că încălziţi ceva la temperaturi care sunt mai ridicate decât cele din Soare, dar la un metru distanţă aveţi nevoie de magneţi super-răciţi", a spus ea. Temperaturile mari sunt necesare pentru a iniţia fuziunea, iar magneţii sunt necesari pentru a controla produsul fuziunii, o stare a materiei numită plasmă.
Odată ce fuziunea este atinsă, problema se transformă în a reuşi să scoţi energia din plasmă. Atât centralele pe bază de cărbuni, cât şi cele cu fisiune folosesc căldura generată pentru a fierbe apă ce învârte paletele unor turbine. Fuziunea, care generează temperaturi peste cea din Soare, creează o problemă din cauza faptului că se eliberează căldură în cantităţi prea mari şi prea rapid pentru ca majoritatea materialelor să o suporte.
Constrângerea şi controlul plasmei
Cercetarea lui Mordjick se axează pe constrângerea şi controlul plasmei cu ajutorul unor câmpuri magnetice. Ea explică faptul că plasma solară este controlată de gravitaţia imensă a Soarelui.
"Numai că noi nu putem crea un Soare aici, pe Pământ", spune ea, "aşa că trebuie să controlăm plasma cu ajutorul câmpurilor magnetice. Aceasta are tendinţa să se scurgă, aşa că se pierd particule. Am lucrat la modul în care se pierd acele particule."
Experimentele de controlare a fuziunii sunt deseori realizate în dispozitive numite tokamak-uri. Un tokamak este o cameră în formă de gogoaşă, proiectată să permită plasarea câmpurilor magnetice necesare pentru constrângerea plasmei. Mordjick a lucrat intensiv cu tokamak-ul General Atomics DIII-D din San Diego. Ea menţionează că DIII-D este unul dintre cele mai bune tokamak-uri din lume, dar a spus că maşini mai noi şi mai avansate sunt în construcţie în cadrul programelor finanţate corespunzător, în Asia.
Printre fizicieni, mişcarea particulelor este cunoscută sub numele de "transport", iar Mordijck ar spune că studiază "transportul perturbativ" pentru a investiga pierderile de particule care ar trebui constrânse de câmpurile magnetice ale unui tokamak. Totul se rezumă la încercarea de a măsura un fenomen care este în esenţă nemăsurabil.
"Este imposibilă măsurarea transportului", explică ea. Aşa că trebuie într-un fel dedusă."
Ea a spus că nu poate nici măcar să distingă cele două tipuri de transport – convectiv şi difuziv - când realizează modele computaţionale ale pierderilor de particule, darămite în camera de control a unui tokamak. Aici intră în scenă partea "perturbativă". Mordjick îşi proiectează experimentele pentru a introduce un nou element, cum ar fi vaporii de gaz, în experimentul de fuziune.
"Adăugăm mai mult gaz în experiment, dar o facem în jeturi foarte scurte, cu perioade de timp între ele".
Gazul penetrează plasma rapid şi este evacuat încet. Mordjick monitorizează gazul şi spune că efectul perturbativ al gazului asupra plasmei îi oferă indicii asupra transportului particulelor.
"Din schimbările observate în măsurători, se pot deduce valorile convective şi difuzive".
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Safer, more efficient, fusion-generated electricity is on the horizon, cu acordul Phys.org.
