Fuziunea nucleară – provocarea energetică a viitorului

Fisiunea nucleară – metoda noastră cea de toate zilele

Înainte de a vorbi despre pasul înainte reprezentat de cercetările de la Sandia, ar trebui să comparăm cele două metode, pentru a înţelege de ce ar merita să o înlocuim pe cea de azi.

• Primele observații cu o cvasiparticulă care are masă doar atunci când se deplasează într-o anumită direcție
• O nouă teorie propune că informația poate scăpa din găurile negre

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 forma 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-numita reacţie în lanţ, care se produce în reactoarele nucleare. (În reactoare, această reacţie în lanţ este una controlată – prin diferite metode care blochează, la un moment dat, acţiunea neutronilor -, spre deosebire de ceea ce se produce în bombele atomice, unde are loc o reacţie în lanţ total necontrolată.)

În general, energia rezultată în urma fisiunii, sub formă de energie termică (căldură), este utilizată pentru a produce energie electrică: cu ajutorul energiei termice, apa este încălzită şi transformată în abur, iar acesta pune în mişcare turbinele cuplate la un generator, producând curent electric.

La ora actuală, în lume există 439 de centrale nucleare, iar la nivel mondial, energia nucleară reprezintă 6% din energia produsă; aceasta este o cifră medie, dar procentele diferă de la ţară la ţară. În Franţa, de exemplu, 77% din producţia de energie provine din centralele nucleare, în vreme ce în ţări ca Mexic, India şi Pakistan, sub 4% din producţia de energie este de origine nucleară. În România, cifra este de 18,98%, conform datelor furnizate de Agenţia Internaţională pentru Energie Atomică (IAEA).

Energia nucleară produsă prin metoda fisiunii este, la ora actuală, subiectul unor dezbateri aprinse. Susţinătorii ei, printre care se numără (IAEA) şi World Nuclear Association, afirmă că energia atomică este o energie sustenabilă şi care implică emisii mai scăzute de dioxid de carbon, comparativ cu termocentralele pe cărbuni, ce furnizează o parte importantă a energiei astăzi.
În schimb, adversarii energiei atomice – precum Nuclear Information and Resource Service (NIRS) şi numeroase organizaţii ecologiste, ca Greenpeace – combat vehement ideea utilizării acestei surse de energie, considerând că implică pericole grave la adresa oamenilor şi a mediului. Ca întodeauna, povestea e cu dus şi-ntors.

Marele interes al producerii de energie prin metoda fisiunii nucleare stă în eficienţa acesteia: cantităţile enorme de energie rezultate din fisiunea unor cantităţi relativ mici de combustibil nuclear determină 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 viaţa noastră în mai multe moduri.

În primul rând, ele pot proveni chiar de la centrală, atunci aceasta este avariată ca urmare a unor întâmplări nefericite, aşa cum o arată cele câteva accidente grave petrecute în decursul istoriei de 6 decenii a utilizării acestei metode. După dezastrul de la Cernobîl (1986), problemele au fost puse pe seama calităţii proaste a sistemelor de siguranţă ale centralei sovietice de pe teritoriul Ucrainei; la nivel global, industria atomică a continuat să se dezvolte rapid, construindu-se sute de centrale, cu grija de a pune accent pe proiectarea şi construirea unor sisteme de protecţie cât mai sigure.

În schimb, catastrofa recentă de la Fukushima Daiichi (2011) a speriat serios câteva ţări şi va duce, după estimările Agenţiei Internaţionale pentru Energie, la o încetinire considerabilă a dezvoltării industriei atomice, reducând la jumătate capacităţile de generare a energiei nucleare ce se preconiza a fi construite până în 2035. Dacă China, care la ora actuală obţine din surse nucleare mai puţin de 2% din totalul energiei produse, are de gând să investească masiv în industria atomică, având în construcţie nu mai puţin de 25 de centrale de acest tip (şi multe altele în faza de proiect), în schimb, alte ţări au decis să pună pe primul plan siguranţa, renunţând la energia nucleară. În urma unui referendum naţional, Italia a decis să interzică producţia de energie nucleară pe teritoriul său, iar Germania a planificat închiderea tuturor centralelor sale atomice până în 2022.

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”.

Totuşi, nevoile de energie ale lumii cresc mereu, sub presiunea expansiunii populaţiei şi a creşterii nivelului ei de trai. Combustibilii fosili sunt poluanţi şi reprezintă o resursă finită; construirea de baraje şi lacuri de acumulare, pentru alimentarea centralelor hidroelectrice, poate avea consecinţe grave, pe termen lung, asupra mediului şi a oamenilor din regiunile respective, iar centralele solare, cele eoliene (care, delaltfel, au şi ele dezavantajele lor) şi cele marine nu vor putea face faţă, încă decenii de acum încolo, cererii enorme a unei omeniri în creştere. Ce ne rămâne?

Aici intră în scenă fuziunea nucleară. Adică ar intra, dacă am reuşi să o realizăm aici, la noi, pe Pământ.

Centralele de fuziune nucleară ale Universului

Marele avantaj al acestei metode ar fi acela că nu implică utilizarea substanţelor radioactive; ea operează cu elemente chimice nedăunătoare. Dar a pune la punct o metodă de a produce energie prin fuziune nucleară se dovedeşte o grea piatră de încercare pentru savanţii pământeni.

Fuziunea nucleară ar putea fi descrisă sumar ca fiind „procesul invers” fisiunii. În loc de spargerea unui nucleu în fragmente mai mici (cum se întâmplă în cazul fisiunii), aici e vorba despre unirea a două nuclee mai mici ca să formeze unul mai mare. Astfel, din elemente mai uşoare, se poate forma un element chimic mai greu.

Fuziunea nucleară este un proces foarte răspândit în Univers: se petrece permanent în stele, cum este şi Soarele nostru. În Soare, nucleele de hidrogen se unesc două câte două, dând naştere heliului şi eliberând, cu acest prilej, mari cantităţi de energie.

În stele cum este Soarele, masa de hidrogen este atât de mare, încât propria ei gravitaţie menţine hidrogenul şi heliul în centru, unde temperaturile ajung la milioane de grade. Elementele există aici într-o stare de agregare denumită plasmă, un fel de gaz în care atomilor le-au fost „smulşi” electronii, sub influenţa temperaturilor foarte mari, rezultând particule ionizate, încărcate electric. (Un exemplu de plasmă este flacăra). În stele, plasma este confinată (menţinută într-un spaţiu limitat) datorită forţei gravitaţionale. În asemenea condiţii, nucleele de hidrogen fuzionează, rezultând heliu, proces care produce energie, manifestată sub formă de lumină şi căldură.

Cu cât o stea este mai masivă, cu atât creşte capacitatea ei de a „fabrica” elemente din ce în ce mai grele (în ordinea în care se înşiră ele în sistemul periodic al elementelor): litiu, apoi carbon… şi tot, aşa, până la fier. Este procesul numit nucleosinteză stelară. Când sunt implicate elemente mai grele decât fierul, procesul nu mai generează energie, ci absoarbe energie. Elemente mai grele decât fierul nu pot fi generate decât în supernove: exploziile de o amploare colosală ale unor stele extrem de masive, ajunse la sfârşitul vieţii lor, eliberează cantităţi tot colosale de energie, ce poate fi absorbită de nucleele elementelor grele existente, făcând posibilă fuziunea acestora.

Precum în cer, aşa şi pe Pământ? Încă nu…

Însă ceea ce este posibil în stele, unde temperaturile ajung la milioane de grade şi unde acţionează o forţă gravitaţională uriaşă, nu este posibil – deocamdată – pe Pământ. Diferite limitări tehnologice stau în calea reuşitei.

Una dintre problemele care trebuie rezolvate este cea a confinării plasmei: în lipsa forţelor gravitaţionale enorme, cum facem pentru a ţine plasma adunată la un loc, astfel încât poată avea loc fuziunea, care ar produce energie? Orice instabilităţi apărute pot duce la apariţia unor „scurgeri” ale plasmei în afara spaţiului de confinare, reducând şansele de a realiza fuziunea.

De mult timp, oamenii de ştiinţă caută modalităţi eficiente de a confina plasma, care, la temperatura care ar face atomii să fuzioneze, este atât de fierbinte încât ar topi pereţii oricărui recipient.

În condiţii de laborator, au fost încercate mai multe moduri de a realiza confinarea plasmei; metoda cea mai utilizată, considerată de specialişti ca fiind cea mai promiţătoare pentru producţia de energie, foloseşte câmpuri magnetice puternice, bazându-se pe faptul că plasma, fiind alcătuită din particule încărcate electric, este influenţată de câmpurile electromagnetice. O altă metodă, numită confinare inerţială, iniţiază fuziunea nucleară prin încălzirea şi comprimarea unui combustibil reprezentat, cel mai adesea, de deuteriu şi tritiu (izotopi ai hidrogenului). Pentru a comprima şi încălzi combustibilul, acesta este bombardat cu pulsuri de energie, cu ajutorul unui fascicul laser.

Însă a produce câmpuri electromagnetice suficient de puternice pentru a controla plasma este dificil chiar în condiţii de laborator, unde se lucrează cu cantităţi mici de substanţă, şi ar fi cu atât mai dificil în condiţii de producţie, la scară industrială. De aceea, cercetările avansează cu paşi mici şi, cu toate că s-au făcut progrese, suntem încă departe de apariţia centralelor de fuziune nucleară.

Totuşi, semne încurajatoare există.

Pe computer, e posibil

Recent, oamenii de ştiinţă din cadrul Laboratoarelor Naţionale Sandia din New Mexico au creat simulări computerizate în care un reactor de fuziune depăşeşte momentul iniţial de „break-even” (în care energia produsă este egală cu cea pierdută), indicând existenţa unei reacţii de fuziune ce se autoîntreţine.

Proiectul este, la origine, unul cu scop militar, menit să studieze armele nucleare fără a fi necesar să detoneze cu adevărat bombe nucleare. Însă specialiştii implicaţi subliniază că rezultatele ar putea avea aplicaţii şi în producerea energiei „verzi”, datorită faptului că experimentul este bazat pe deuteriu, un izotop stabil al hidrogenului, care poate fi extras din apa de mare.

Specialiştii din New Mexico testează o metodă de confinare în care două bobine sunt folosite pentru a genera un câmp magnetic care confinează plasma. În interiorul fiecărei bobine este plasat un cilindru de metal, având un strat interior alcătuit din deuteriu şi tritiu (izotopi de hidrogen, deuteriul având un neutron suplimentar faţă de hidrogenul „normal”, iar tritiul – doi). Metalul este încălzit cu un laser şi apoi supus unui curent electric cu o intensitate de zeci de milioane de amperi. Acest tratament determină vaporizarea stratului interior dar, înainte de a face acest lucru, generează un câmp magnetic foarte puternic, situat în interiorul câmpului magnetic produs de bobine. Câmpul magnetic exterior presează amestecul de deuteriu şi tritiu cu o forţă atât de mare, încât îl face să-şi micşoreze considerabil volumul. Această „strivire” este suficientă pentru a determina atomii de deuteriu şi tritiu să fuzioneze, dând naştere heliului şi unei mari cantităţi de energie.

În simulările pe computer efectuate de specialişti, energia produsă de sistem, ca urmare a fuziunii, a fost de 100 de ori mai mare decât cea introdusă în sistem printr-un curent cu intensitatea de 60 de milioane de amperi. Iar la introducerea unui curent de 70 milioane de amperi, energia obţinută ar fi de 1.000 de ori mai mare decât cea consumată.

Vorbim, deocamdată, de un model teoretic şi o simulare computerizată. Transpunerea în fapt a acestora necesită existenţa unui echipament de laborator capabil să genereze un curent electric atât de intens, un echipament care, în prezent, încă nu există. Specialiştii de la Sandia deţin un aparat – pe care îl numesc maşina Z – , un generator de raze X care poate produce un curent de 26 milioane de amperi. Până să ajungă la cele 60 de milioane de amperi necesare transpunerii în realitate a simulării computerizate, mai va…

Însă există acum un orizont de aşteptare şi o direcţie de urmat, cel puţin pentru fizicienii de la Laboratoarele Sandia. În prezent, aceştia lucrează la construirea şi testarea componentelor unui aparat în stare să realizeze fizic experimentul studiat de ei pe computer şi speră ca un test decisiv să poată fi întreprins în anul 2013.

Vom şti atunci, cu mare probabilitate, dacă merită să ne concentrăm atenţia şi eforturile asupra fuziunii nucleare ca sursă a energiei viitorului pe planeta Pământ.