physis.ro

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 combina 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. Despre cea din urmă dintre ele vom vorbi în continuare.

Fuziunea nucleară este fenomenul prin care două nuclee uşoare (ale unor elemente cu număr atomic mic) reacţionează, ducând la formarea unui nucleu mai greu, cu degajare de energie. Acest proces se desfăşoară în mod natural în interiorul stelelor, fiind sursa energiei pe care acestea o radiază în permanenţă. Ideea utilizării acestei reacţii pentru producerea energiei de larg consum există deja de o jumătate de secol, dar dificultăţile întâmpinate pentru realizarea controlată a procesului de fuziune au împiedicat până în prezent apariţia unor aplicaţii energetice civile.

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 temperatură 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.

Există mai multe metode tehnologice propuse pentru realizarea unui reactor de fuziune, două dintre ele fiind fundamentale. Toate metodele se raportează la necesitatea îndeplinirii a două condiţii esenţiale pentru realizarea unui bilanţ energetic pozitiv în reactor (producţie de energie cu întreţinerea reacţiei de fuziune): asigurarea unei densităţi suficient de mari a combustibilului nuclear în reactor şi confinarea (menţinerea) nucleelor de combustibil în zona reacţiei pentru un timp suficient de lung. Deocamdată cele două condiţii nu au putut fi simultan îndeplinite, iar cele două metode fundamentale de realizare a fuziunii se concentrează pe maximizarea uneia sau alteia dintre ele.

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 durată a nucleelor în zona activă a reactorului (câmpul magnetic al Tokamak-ului curbează prin forţa Lorentz traiectoriile nucleelor încărcate electric şi nu le permite să părăsească volumul de reacţie). A doua metodă tehnologică defineşte reactorul cu confinare interţială. 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.

Efortul comunităţii internaţionale pentru dezvoltarea tehnologiiilor de fuziune nucleară se datorează multiplelor avantaje pe care le prezintă această sursă de energie faţă de toate celelalte. Un prim avantaj este faptul că fuziunea oferă cea mai bună producţie de energie pe kilogram de combustibil consumat, chiar mai bună decât cea oferită de reacţia de fisiune. Un al doilea avantaj ţine de faptul că fuziunea utilizează un combustibil practic inepuizabil, mai precis hidrogenul care poate fi obţinut pur şi simplu din apă. În cele din urmă, ciclul de fuziune din interiorul Soarelui, care poate fi utilizat şi într-un reactor, se finalizează cu producerea de heliu stabil din punct de vedere radioactiv. Astfel, în cazul unei centrale de fuziune, nu ar exista problema deşeurilor radioactive de viaţă lungă, aşa cum se întâmplă în cazul centralelor de fisiune. Putem astfel include fuziunea nucleară în rândul surselor de energie "verde".