Fuziunea nucleară - energia viitorului?

Specialistii in domeniu sustin ca fuziunea nucleara poate fi folosita pentru a produce mai multa energie. Pana acum, se considera ca aceasta metoda este prea costisitoare pentru energia care ar fi obtinuta din ea.

Descoperirea în anul 1909 a nucleului atomic de către Ernest Rutherford a deschis calea spre un nou domeniu al fizicii, fizica; nucleară. În momentul de faţă, o mare parte a domeniului fizicii nucleare se ocupă cu studiul modului în care nucleele diferiţilor atomi se pot combină pentru a forma nuclee noi, adică de studiul reacţiilor nucleare. O parte a reacţiilor nucleare se produc cu degajare de energie termică, motiv pentru care ele pot fi utilizate în aplicaţii energetice, prin conversia energiei termice în alte forme de energie. Dintre aceste reacţii, numite reacţii exoenergetice, cele mai importante sunt reacţia de fisiune şi cea de fuziune nucleară.

Apa; şi pământul furnizează combustibilul pentru blanda energie atomică. În 50 de ani, prima centrală energetică ar putea fi conectată la reţea şi ar rezolva toate problemele energiei. Nu încape îndoială că, până în anul 2050, consumul de energie la nivel mondial va fi cel puţin dublu. Momentan, acest consum este acoperit de purtători fosili de energie limitaţi, precum petrolul şi cărbunii.

Fisiunea nucleara

La ora actuală, producem energie nucleară (zisă şi atomică) prin fisiune nucleară, proces în care nucleul unui atom se fragmentează în nuclee mai mici, sub efectul unui bombardament cu neutroni. În practică se folosesc, drept "combustibil nuclear", metale grele precum uraniu-235 sau plutoniu-239. Când nucleele atomilor acestor elemente absorb neutroni, se poate declanşa procesul de fisiune - "spargerea" nucleului greu.

Această fragmentare produce nuclee ale unor elemente mai uşoare, precum şi neutroni şi fotoni (sub formă radiaţiilor gamma) şi generează o uriaşă cantitate de energie. Neutronii produşi lovesc, la rândul lor, alte nuclee atomice, determinând fisiunea acestora; şi tot aşa; este aşa-numită reacţie în lanţ, care se produce în reactoarele nucleare. Energia rezultată prin fisiune, se utilizează, în general, pentru a produce energie electrică, cu ajutorul energiei termice.

Marele interes al producerii de energie prin metoda fisiunii nucleare stă în eficienta; acesteia: cantităţile enorme de energie rezultate din fisiunea unor cantităţi relativ mici de combustibil nuclear determina un randament ridicat al conversiei. Dar, cum nimic nu vine doar cu avantaje, producerea de energie nucleară prin fisiune are riscurile ei, legate de implicarea în proces a materialelor radioactive: acestea emit radiaţii care au efecte grave asupra organismelor vii. Iar aceste radiaţii pot interveni în viaţă noastră în mai

multe moduri printre care menţionăm:

• Radiaţiile provenite direct de la centrală, cum au fost şi accidentele grave petrecute în urma dezastrului de la Cernobîl(1986), sau catastrofa; recentă de la Fukushima Daiichi (2011) care a speriat serios câteva ţări ale planetei.


• Un al doilea tip de risc de iradiere este legat de existenţa deşeurilor nucleare: centralele atomice produc deşeuri cu un înalt potenţial radioactiv, a căror depozitare pune probleme dificile. Ele trebuie păstrate în condiţii speciale, înconjurate de învelişuri groase de beton şi plumb care să blocheze radiaţiile, până când, prin procesul de dezintegrare radioactivă, elementele radioactive se transformă, cu timpul, în alte elemente chimice, inofensive. Dar "cu timpul" poate însemna "în mii de ani".

Fuziunea nucleara

O soluţie aproape ideală de rezolvare a problemei consumului de energie, pare a fi fuziunea nucleară a atomilor uşori. Această presupune fuziunea unui nucleu de deuterium şi a unuia de tritiu într-unul de heliu, pe parcursul căreia se scindează un neutron şi, simultan, se eliberează uriaşe cantităţi de energie. Acest procedeu este într-o oarecare măsură o călătorie înapoi, spre Big Bang, la baza căruia stă, de fapt, această simplă reacţie fizică. Ea a dus la apariţia Universului, iar energia echilibrată cu acest prilej determina şi astăzi Soarele şi stelele să strălucească.

Altfel spus, fuziunea nucleară ar putea fi descrisă sumar ca fiind "procesul invers" fisiunii. În loc de spargerea unui nucleu în fragmente mai mici, aici e vorba despre unirea a două nuclee mai mici că să formeze unul mai mare. Astfel, din elemente mai uşoare, se poate formă un element chimic mai greu.

Avantaje

Fuziunea poate produce cantităţi nelimitate de energie „curată" cu ajutorul unor resurse disponibile în mari cantităţi precum apa; de mare. Din aceste cauze, fuziunea nucleară, care nu lasă în urmă decât o cantitate infimă de deşeuri radioactive, produse de centralele pe baza de fisiune nucleară, este privită că sursă de energie a viitorului şi ca una dintre cele mai sigure modalităţi de a reduce dependenţă de combustibilii fosili. Materiile prime pentru fuziune: litiul şi deuteriul (uşor obtenabile din apă de mare) sunt practic inepuizabile. În plus fuziunea prezintă avantaje certe faţă de fisiunea nucleară:

• - energia eliberată se ridică la 94 x 103 kWh(t)/gram de nuclee reactanţe, ceea ce reprezintă de 1800 de ori energia ce terbuie asigurată reactantilor pentru a iniţia fuziunea;
• - expunerea publicului în caz de accident este de 100 de ori mai mică decât în cazul fisiunii nucleare;
• - volumul de deşeuri radioactive este foarte mic iar pericolul asociat acestora va fi de 10-100 000 ori mai mic decât în cazul fisiunii;
• - posibilitatea proliferării armelor nucleare este mult mai mică.

În plus, energia rezultată prin fuziune este produsă fără a elimina în atmosfer&#259 gazele de seră aşa cum se întâmplă în cazul termocentralelor convenţionale.

Dificultăţi de realizare a proiectului

Oamenii de ştiinţă şi tehnicienii lucrează deja de cca 50 de ani la soluţionarea acestor probleme, la început fiind mult prea optimişti în ceea ce priveşte atingerea scopurilor. Dar costurile imense au silit curând naţiunile industrial implicate în cercetare să coopereze. În anul 1997, în reactorul experimental European JET s-a reuşit, prin producerea fuziunii de o foarte scurtă durata, să se obţină o putere de 16 megawaţi, stabilindu-se astfel un record mondial absolut.

În prezent, europenii lucrează împreună cu Rusia şi Japonia la construirea, în prelungirea JET, de 400 megawaţi. Costurile sunt estimate la 3,5 – 4 miliarde de euro şi trebuie să creeze premisele tehnice pentru ca, după faza introductivă de probă, să se treacă la construirea unui reactor demonstrativ. Proiectul poartă deja un nume: DEMO – va fi prima centrală electrică bazată pe fuziunea nucleară, care va fi dată în funcţiune.

Principala dificultate a realizării procesului de fuziune ţine de faptul că nucleele uşoare care fuzionează sunt încărcate electric, deci interacţionează printr-o forţă de respingere coulombiană. Această forţă se opune apropierii nucleelor, prin urmare acestea trebuie să aibă o energie cinetică suficient de mare pentru a putea reacţiona. Un calcul simplu duce la concluzia că, pentru a putea realiza reacţia de fuziune, temperatura combustibilului (care dictează energia cinetică medie a nucleelor fuzionante) trebuie să fie între o sută de milioane şi zece miliarde de grade Celsius. La această temperatura combustibilul nu ar fi în starea de agregare solidă, lichidă şi nici măcar gazoasă, ci ar fi în a patra stare de agregare, starea de plasmă, adică starea de agregare a materiei în interiorul stelelor. Realizarea practică a unui mediu nuclear atât de fierbinte şi menţinerea sa controlată pentru un timp îndelungat reprezintă provocări tehnologice pe care comunitatea ştiinţifică încă încearcă să le depăşească, deocamdată fără prea mult succes.

După părerea multor oameni de ştiinţă, momentul finalizării acestui proiect este mai puţin o problema de fezabilitate tehnică, cât mai degrabă una politică.

Metode tehnologice de realizare a fuziunii:

Prima metodă tehnologică propusă pentru realizarea fuziunii defineşte reactorul cu confinare magnetică. În cadrul acestei metode, combustibilul nuclear este plasat în interiorul unui electromagnet toroidal (Tokamak), al cărui scop este realizarea unei confinări de lungă durata a nucleelor în zona activă a reactorului (câmpul magnetic al Tokamak-ului curbează prin forţă Lorentz traiectoriile nucleelor încărcate electric şi nu le permite să părăsească volumul de reacţie).

A două metodă tehnologică defineşte reactorul cu confinare intertiala. Cea mai populară variantă a acestui reactor utilizează pulsuri laseri de mare putere pentru a aprinde pastile mici de combustibil nuclear, asigurând o puternică comprimare a combustibilului (prin implozie) şi deci o creştere semnificativă a densităţii acestuia. În prezent ambele variante tehnologice sunt în cercetare, dar reactorul cu confinare magnetică are cele mai mari şanse de a deveni o soluţie pentru aplicaţiile energetice civile. Din nefericire, ritmul progresului actual în stăpânirea reacţiei de fuziune oferă perspective pentru construirea unei centrale energetice abia peste câteva decenii.