JET stabilește un nou record în energia de fuziune Understand article

Rezultate recente de la experimentul JET al EUROfusion au demonstrat, pentru prima oară, o energie de fuziune intensă și stabilă. Aceste rezultate revoluționare pot deschide calea pentru ca energia de fuziune să joace un rol cheie în combaterea schimbărilor climatice.

Introducere

Imaginați-vă o sursă de energie electrică cu emisii scăzute de carbon, cu rezerve de combustibil care durează milioane de ani, și care este în mod inerent sigură și produce structuri radioactivate cu viață mult mai scurtă decât în cazul fisiunii nucleare. Când lumea se străduiește pentru un viitor cu emisii de carbon scăzute, acest lucru sună prea bine pentru a fi adevărat; însă iată că un program mondial de cercetare care folosește fuziunea pentru generarea de energie electrică își propune să transforme acest vis în realitate.

Fuziunea

Prin fuzionarea nucleelor atomice ușoare rezultă nuclee mai grele, dar și un exces de energie, deoarece energia necesară pentru a constitui nucleul mai greu este una redusă. Soarele fuzionează nucleele de hidrogen pentru a produce heliu și energie, dar această reacție ar fi aici ineficientă și lentă. Reacția optimă de fuziune pentru viitoarea energie electrică pe Pământ ar fi cea dintre două forme mai grele de hidrogen: izotopii numiți deuteriu și tritiu. Reacția produce un nucleu de heliu și un neutron – și degajă multă energie. Deuteriul este disponibil din apă, iar tritiul poate fi produs din litiu, ceea ce înseamnă că rezervele viitoare de combustibil de fuziune sunt abundente.  

Reacția de fuziune D + T → He + n + energie
© UKAEA

Fuziunea nucleelor de hidrogen este cea care face Soarele și stelele să strălucească, și pentru mult timp obiectivul cercetătorilor din domeniu a fost să reproducă acest proces aici, pe Pământ, în special prin fuziunea a doi izotopi de hidrogen, deuteriu și tritiu. Însă aducerea fuziunii pe Pământ este foarte greu de realizat – gazele combustibile trebuie încălzite la temperaturi extreme (150 milioane ºC) și trebuie efectiv menținute închis într-o incintă adecvată.

Cercetarea fuziunii

Interiorul instalației JET, cu plasma fierbinte în partea dreaptă
© EUROfusion

Cel mai avansat program de cercetare a fuziunii folosește câmpuri magnetice puternice pentru a delimita și controla un inel de gaz fierbinte (sau plasmă) în dispozitive numite ‘tokamak’. În lume au fost derulate mai multe experimente ‘tokamak’, dar cel mai mare și mai puternic este emblematicul Joint European Torus (JET), care este operat de Autoritatea pentru Energie Atomică din Regatul Unit (UKAEA) la sediul său din Culham, Marea Britanie, pentru comunitatea europeană de fuziune coordonată de către consorțiul EUROfusion. JET este singurul dispozitiv de fuziune care poate folosi atât tritiu (radioactiv) cât și obișnuitul deuteriu, și este cel mai apropiat ca proiectare de instalațiile viitoare, precum masivul reactor experimental termonuclear internațional (ITER) (care este o centrală energetică internațională de fuziune, de tip ‘tokamak’, aflată acum în construcție în sudul Franței), și precum alte câteva proiecte de centrale electrice de fuziune viitoare.  

Schema unui ‘tokamak’ – bobinele magnetice (reprezentate cu albastru și gri) sunt utilizate pentru a controla plasma de fuziune (reprezentată cu roz)
© UKAEA

JET stabilește un nou record mondial

JET a ajuns pe prima pagină a publicațiilor la începutul lunii februarie, când a anunțat rezultate cu adevărat de referință: pentru prima dată s-a putut menține o putere de fuziune semnificativă (11 MW pentru 5-6 secunde) cu un amestec de deuteriu-tritiu, și a stabilit un nou record de energie de fuziune de 59 MJ. De-a lungul multor ani de funcționare, JET a mai atins energii mari de fuziune, însă doar tranzitoriu (pentru timpi mult mai mici de o secundă). Întotdeauna a fost o adevărată provocare menținerea acestor niveluri de energie într-o plasmă de zece ori mai fierbinte decât soarele, palsmă care este în mod natural instabilă și greu de menținut; însă acest lucru a fost acum realizat.

Menținerea acestui nivel de performanță a fuziunii pentru cinci sau șase secunde nu pare mult pentru cei mai mulți dintre noi – probabil că tot atât timp v-a luat să citiți această propoziție! Însă pentru o plasmă de fuziune extrem de schimbătoare, intervalul acesta de timp este foarte mare; este chiar o stare de echilibru.

Instalația JET, cu componentele sale mecanice și electrice, este văzută de sus.
Instalația JET văzută de deasupra
© EUROfusion

Da, JET este limitat la impulsuri scurte, de doar câteva zeci de secunde, datorită încălzirii bobinelor sale magnetice de cupru (ITER va avea bobine supraconductoare care nu se încălzesc, și deci vor funcționa mult mai mult). După cum Tony Donné, managerul de program al EUROfusion, a declarat în presă: „Dacă acum putem menține fuziunea timp de cinci secunde, înseamnă că o putem face și timp de cinci minute, și apoi pentru cinci ore, pe măsură ce vom redimensiona operațiunile în mașinile viitoare. Acesta este un moment important pentru fiecare dintre noi și pentru întreaga comunitate a energiei de fuziune.”

Oamenii care fac fuziunea

Aceasta este o poveste de succes nu doar pentru știință, ci și pentru cercetătorii și inginerii care au muncit din greu pentru ca acest lucru să se întâmple; cei aproximativ 400 de ingineri UKAEA care s-au asigurat că JET funcționează corect, și sutele de oameni de știință din 30 de institute de cercetare din 25 de țări care au lucrat neobosit pentru a produce aceste rezultate – și totul în timpul unei pandemii globale care a impus lucrul de la distanță.

Un viitor al fuziunii

Deci, ce înseamnă toate acestea? Există de acum convingerea că ITER își va atinge obiectivul de a demonstra o putere produsă prin fuziune de 300-500 MW timp de o oră sau mai mult, și că viitoarele centrale electrice de fuziune vor produce energie electrică de fuziune viabilă din punct de vedere economic pentru o perioadă lungă de timp sau chiar în mod continuu.

Mai există provocări de înfruntat înainte de realizarea visului de a conecta la rețea electricitatea de fuziune, însă fără îndoială că aceste rezultate de la JET constituie un pas major înainte. Fără îndoială, lumea are nevoie de fuziune pentru că a pornit pe drumul susținerii unei societăți a viitorului cu emisii scăzute de carbon.

Deci, când vom avea energie de fuziune la rețeaua electrică? Prin pornirea ITER în următorii ani, și cu câteva proiecte majore viabile de centrale electrice pe fuziune în lume, se speră că prima energie de fuziune va fi generată aproximativ în anul 2050, cu extindere comercială pe scară largă în a doua jumătate a acestui secol.

Fuziunea nu va fi „glonțul de argint” care să rezolve criza energetică, dar va fi un adaos valoros la sursele regenerabile și la fisiunea nucleară pentru a ne oferi o șansă. CEO-ul UKAEA, Ian Chapman, se exprimă clar cu privire la acest obiectiv: „Construim cunoștințele și dezvoltăm noua tehnologie necesară pentru a furniza o sursă durabilă de energie de bază cu emisii scăzute de carbon, care ne va ajuta să protejăm planeta pentru generațiile viitoare. Lumea noastră are nevoie de energia de fuziune.”

Aceste rezultate recente de la JET ne apropie cu un mare pas de viitorul fuziunii.


References

[1] Comunicatul de presă al EUROfusion: https://www.euro-fusion.org/news/2022/european-researchers-achieve-fusion-energy-record/

Resources

Institutions

EUROfusion

Author(s)

Chris Warrick este manager de comunicare și de plasare pentru studenți la UKAEA. Chris s-a alăturat UKAEA în 1990 ca fizician experimentalist. Ulterior s-a alăturat echipei de comunicare, cu responsabilități particulare pentru educație și pentru sensibilizarea publicului. În aprilie 2010 el a devenit coordonatorul acestui grup, iar în 2020 a devenit responsabil cu implicarea părților interesate.


Review

Articolul poate fi folosit de elevi ca lectură înaintea unei lecții despre Fuziune. El oferă elemente necesare pentru înțelegere, dar fără prea multe detalii, permițând profesorului de Fizică să dezvolte tema în funcție de cerințele grupului.

Pe lângă suportul pentru lecțiile de Fizică, articolul poate fi folosit și în alte discipline, precum Ecologie, Știință generală, sau la discipline care necesită o abordare interdisciplinară. El poate fi folosit și ca lectură de fond pentru diverse discuții cu privire la utilizarea surselor de energie alternative, sau cu privire la avantajele ecologice ale utilizării fuziunii față de alte surse de energie, și respectiv ca o posibilă modalitate de a reduce dependența noastră de anumite surse de energie, în special de cele neregenerabile.

Mai mult, întrucât generarea de energie printr-o reacție de fuziune se bazează pe tehnologii foarte avansate, se poate discuta despre accesibilitatea acesteia pentru toate țările și respectiv despre implicațiile economice la nivel național și la nivel european.

Paul Xuereb, Lector de Fizică, Malta

License

CC-BY
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images: please see individual descriptions