Super-recele întâlneşte super-caldul Understand article

Author(s): Phil Dooley, Morten Lennholm

Tradus de Mircea Băduţ. Pentru a menţine realimentarea reactorului, instalaţia EFDA-JET aruncă proiectile de hidrogen congelat în plasma având temperatura de 150000000 °C. Dar aceste proiectile au încă un avantaj.

Pentru imagine mulţumim EFDA-JET

La facilitatea EFDA-JET, de lângă Oxford, Anglia, dorim să facem din fuziunea nucleară – aceeaşi reacţia ce asigură lumina Soarelui – o nouă sursă de energie. Reacţia de fuziune are loc când nucleele atomice se ciocnesc şi se unesc. Combustibilul folosit la JET constă în doi izotopi grei de hidrogen: deueriul – hidrogenul cu un neutron şi un proton, şi tritiul – hidrogenul cu doi neutroni şi un proton. Când nucleul deuteric ciocneşte un nucleu de tritiu şi fuzionează cu acesta pentru a crea un nucleu de heliu, energia eliberată este atât de mare încât un gram de combustibil deuteriu-tritiu ar putea produce energie cât 10 tone de cărbune. În reactorul JET noi încălzim combustibilul de fuziune la peste 150 milioane de grade Celsius. La această temperatură combustibilul trece în cea de-a patra starea a materiei – plasma – deoarece electronii sunt desprinşi de atomii lor şi se obţine un gaz de ioni şi electroni. Această plasmă este menţinută în interiorul camerei de reacţie (camera reactorului având formă toroidală, de gogoaşă) cu ajutorul unor câmpuri magnetice puternice.

Una dintre problemele cercetării fuziunii constă în aducerea eficientă a combustibilului de hidrogen în plasma din reactor, iar soluţia acesteia rezolvă de fapt două probleme.

Hrănim plasma

Într-o reacţie de fuziune
nucleară, energia se degajă
când hidrogenul super-greu
(tritiu) se ciocneşte cu
hidrogenul greu (deuteriu) şi
rezultă un atom de heliu şi
un neutron liber. 
Pentru imagine mulţumim lui
Nicola Graf.

Dacă doar am pune gaz de amestec deuteriu-tritiu în camera de reacţie, o mare parte din el s-ar pierde şi nu ar ajunge în centrul plasmei. Datorită temperaturilor extrem de înalte, moleculele de gaz întâlnesc particulele de plasmă încărcată eletric (ionizată) imediat ce ajung în apropierea învelişului plasmei. Aceste particule ionizate ale plasemi se ciocnesc cu gazul izotopilor de hidrogen, ionizându-l, şi astfel combustibilul ionizat devine el însuşi parte a plasmei. Deoarece majoritatea ionizărilor au loc chiar în regiunea învelişului plasmei, particulele proaspăt ionizate vor fi împinse de-alungul liniilor de flux magnetic. Acele particule care se află prea departe se vor înscrie pe linii de câmp disperse; astfel că în loc să devină parte a plasmei de forma gogoaşei, ele vor lovi pereţii reactorului şi se vor pierde. Chiar şi particulele de combustibil care au trecut un pic de învelişul plasmei pot fi aruncate în afară când se ciocnesc de alte particule de plasmă.

O soluţie mult mai eficientă este să aruncăm proiectile de hidrogen congelat în torul de plasmă. Dacă aceste proiectile se mişcă suficient de repede, ele ajung mult în interiorul fluxului de plasmă înainte de a se evapora, devinind apoi parte a plasmei, astfel că doar o cantitate mică de izotopi se pierde, majoritatea particulelor de hidrogen rămânând în interiorul plasmei. Aşa încât, deşi în esenţă avem nevoie să încălzim combustibilul nuclear la sute de milioane de grade, noi recurgem la o prealabilă răcire a sa până la temperaturi apropiate de zero absolut, unde hidrogenul îngheaţă şi devine solid. În ultimii 20 de ani s-au testat mai multe sisteme care injectează astfel de proiectile în plasmă, inclusiv la JET.

Avantaje suplimentare

Recent s-a descoperit un fapt interesant: când aceste proiectile reci pătrund prin învelişul plasmei, ele declanşază un fenomen numit mod localizat la margine(ELM), constând într-o scurtă expulzare de energie din plasmă – cumva asemănător exploziilor solare.

Aceste expulzări de energie au devenit un subiect încins în cercetările experimentale de fuziune, mai ales că unele sunt suficient de mari pentru a deteriora pereţii camerei de reacţie. În instalaţia JET, am acoperit recent aceste suprafeţe cu tungsten şi beriliu, metale având avantajul de a absorbi mai puţin din combustibilul de hidrogen decât surpafeţele din carbon folosite anterior. Totuşi, pentru că nimic nu se câştigă fără vreun revers, noile ziduri sunt mai predispuse deteriorării de către ELM-uri.

Injectorul de proiectile
Pentru imagine mulţumim
EFDA-JET

ELM-ul nu este provocat doar de proiectilul de hidrogen – fenomenul are loc spontan în mai toate plasmele de ‘înaltă performanţă’, şi se depune efort pentru reducerea impactului acestuia. ELM-urile se întâmplă la intervale regulate de timp, şi între ele presiunea din fluxul de plasmă creşte până la un nivel care nu mai poate fi susţinut. În acest punct are loc o elibrare bruscă de particule şi de energie declanşând astfel următorul ELM. Încercăm din greu să găsim metode de a evita formarea de ELM-uri, dar eliminarea lor se obţine cu un cost ridicat şi cu scăderea drastică a performanţei plasmei. În schimb, încercăm acum în direcţia opusă: să inducem mai frecvent fenomene ELM însă de o magnitudine atât de redusă încât să nu creeze deteriorări. 

Aici intervine faptul că proiectilele de combustibil ‘declanşează’ ELM-uri – pe lângă efectul de alimentare continuă a reacţiei de fuziune, ele îşi adaugă în repertoriu şi controlul ELM-urilor. Am putea vedea acest lucru ca şi când proiectilul ar ‘gâdila’ învelişul plasmei şi l-ar face să strănute, echilibrând-o. Pentru a gâdila învelişul plasmei, proiectilele nu au nevoie să pătrundă mult în plasmă, astfel că putem folosi proiectile mai mici decât cele necesare pentru alimentarea mijlocului plasmei. Ceea ce ne este benefic, pentru că avem nevoie să declanşăm până la 50 de ELM-uri pe secundă, iar dacă am folosi proiectile de mărime standard am injecta prea mult deuteriu-tritiu în miezul plasmei.

În sistemul de injectare a proiectilelor de la JET, granule cu diametrul de 1-4mm sunt produse de către PELIN – injectorul de proiectile de înaltă frecvenţă (HFPI) – şi trimise prin conducte cu diametrul de 1 cm pe o distanţă de 10-15 metri la o rată de până la 50 de proiectile pe secundă. Camera de diagnosticare (componentă a instalaţiei) foloseşte camere video pentru a verifica mărimea şi viteza proiectilelor expulzate din HFPI. Apoi fiecare proiectil parcurge unul din cele trei tuburi de zbor, intrând în camera de reacţie într-un loc diferit. În această reprezentare schematică mărimea HFPI-ului este exagerată, din raţiuni didactice, cu un factor de 3 faţă de instalaţia JET.
Pentru imagine mulţumim EFDA JET

Cu acest nou obiectiv în minte, a fost pus în exploatare la JET un nou şi versatil injector de proiectile de înaltă-frecvenţă. El lucrează oarecum similar unei mitraliere şi poate expulza în fluxul de plasmă secvenţe lungi de proiectile de o varietate de mărimi. Putem astfel injecta până la 15 proiectile mari pe secundă (granule de 10–50 mm3) pentru a alimenta plasma, dar putem trimite şi până la 50 de proiectile mici (granule de 2–3 mm3) destinate declanşării de mici ELM-uri.

Această maşină de injectare a combustibilului a adus fuziunea – ca sursă de energie inepuizabilă – mai aproape nu doar cu unul, ci cu doi paşi! Procesul de realimentare a plasmei fierbinţi este acum mai eficient, iar un efect secundar aparent problematic a devenit controlabil. Acum ştim să tratăm cu ELM-urile, una dintre porovocările afurisite din funcţionarea reactorului de fuziune.

A large and small frozen deuterium pellet photographed as they enter the 150 million°C plasma
Image courtesy of EFDA-JET

Injectorul de proiectile, fabricat de compania PELIN din St. Petersburg, Russia, produce un flux continuu de deuteriu congelat în interiorul unei serpentine verticale (un tub spiralat), răcite cu heliu lichid. Cu temperatura deasupra punctului de îngheţare a deuteriului la partea superioară a serpentinei şi cu temperatura sub acel punct la partea sa inferioară, deuteriul intră sub formă de gaz prin partea superioară şi se condensează şi îngheaţă pe măsură ce coboară prin serpentină. Cum serpentina se roteşte, expulzează prin partea de jos deuteriul la temperatura de 18 K (-255 °C). Din acest material solid sunt tăiate proiectilele (sub forma unor cilindri mici) înainte de a fi propulsate spre plasma din reactor de către un mecanism similar unei puşti cu aer comprimat. Dacă gheaţa ar fi prea caldă, granulele s-ar topi pe traseu, iar dacă ar fi prea rece, gheaţa ar fi atât de tare încât s-ar sfărâma în faza de tăiere. Oricum, nici după ce părăsesc ‘puşca’ proiectilele nu sunt scutite de probleme: ele trebuie să străbată un complicat circuit de ţevi având 10-20 de metri lungime, înainte de a ajunge să-şi facă datoria în plasmă.

 

Mai multe informaţii despre EFDA-JET

Joint European Torus (JET)w1 cercetează potenţialul fuziunii ca sursă de energie sigură, curată şi virtual nelimitată pentru generaţiile viitorului. Instalaţia de aici poate crea condiţiile necesare (100-200 milioane °C în plasmă) pentru a se realiza fuziunea dintre nucleele de deuteriu şi de tritiu, şi a reuşit să producă prin fuziune o putere maximă de 16 MW. Ca întreprindere de asociere, JET este folosit în comun de peste 40 de laboratoare şi instituţii europene. Acordul European pentru Dezvoltarea Fuziunii (EFDA) furnizează un cadru de lucru pentru exploatarea facilităţii JET, actualmente cumulându-se peste 350 de savanţi şi ingineri din Europa care participă la programul JET. Deşi în centralele de producere a energiei prin fuziune se va folosi combustibilul deuteriu-tritiu, experimentele de la JET utilizează în mod normal reacţiile deuteriu-deuteriu, pentru a evita lucrul cu tritiul radioactiv. Actualmente JET este singura instalaţie de fuziune având dreptul de a lucra cu tritiul. Însă extrem de rar şi doar pentru anumite experimente foloseşte acest mod de lucru.

EFDA-JET este membră a EIROforumw2, editorul revistei ‘Science in School‘.

Web References

  • w1 – Aflaţi mai multe despre EFDA-JET.
  • w2 – EIROforum este o asociere a opt dintre cele mai mari organizaţii de cercetare inter-guvernamentale din Europa, şi combină resursele, facilităţile şi experienţa acestora pentru a facilita cercetarea europeană. Ca parte a activităţilor sale de educare şi de popularizare, EIROforum publică revista Science in School.

Resources

Institutions

Author(s)

Până de curând, Dr Phil Dooley a fost ofiţerul de comunicare şi educaţie de la EFDA-JET. El s-a născut în Canberra, Australia, şi a finalizat doctoratul în fizica laserilor la Universitatea Naţională Australiană. Pentru a se rupe din mediul academic, şi-a luat o slujbă în IT în Rarotonga, Insulele Cook, pentru 18 luni, înainte de a se întoarce în Australia pentru a lucra ca instructor software. Pasiunea sa pentru ştiinţă l-a făcut apoi să revină la fizică, de această dată ca specialist în comunicare, conducând programul de comunicare educaţională la Universitatea din Sydney. În Octombrie 2011, Phil s-a alăturat echipei EFDA-JET din Oxfordshire, Marea Britanie. Dorul de casă l-a chemat înapoi în Australia unde acum lucrează ca scriitor de ştiinţă pentru Universitatea Naţională Australiană şi pentru revista Cosmos.

Morten Lennholm este inginer la JET. El a absolvit Universitatea Tehnică din Danemarca, specializarea ‘Microunde şi inginerie de control’. Morten şi-a finalizat teza de masterat la CERN, în Geneva şi apoi, apreciind mediul internaţional de acolo, a optat pentru câteva poziţii la diverse laboratoare din Europa. S-a alăturat EFDA în 1987 cu intenţia de a rămâne doi ani, dar el încă lucrează acolo. Actualmente una dintre sarcinile lui este să aibe grijă de injectorul de proiectile de înaltă frecvenţă.

Review

Articolul descrie activităţile de cercetare din spatele dezvoltării unei metode de producere a energiei electrice prin fuziunea de nuclee de atomi uşori – percum se întâmplă în Soare. Cea mai mare instalaţie experimentală de fuziune – JET – este localizată în Culham, Marea Britanie. Articolul oferă profesorilor de fizică sau celor de ştiinţe o perspectivă sintetică despre cum lucrează fuziunea şi descrie detaliat modul de alimentare a reactorului de fuziune cu proiectile de hidrogen congelat. Astfel că articolul poate fi util nu doar pentru Fizică, ci şi pentru Chimie, cât şi pentru discuţii despre producerea energiei şi despre sustenabilitate.

Articolul stimulează dezbateri largi, ce pot porni cu întrebări precum acestea:

  • Cum funcţionea în principiu fuziunea nucleară? 
  • Ce este plasma? Descrieţi metode de generare a plasmei.
  • Descrieţi diferitele stări ale materiei.
  • Descrieţi o metodă de alimentare a reactorului de fuziune de tip tokamak. Ce probleme pot apărea?

Gerd Vogt, Şcoala Superioară Secundară pentru Mediu şi Economie, Yspertal, Austria

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF