A vedea lumina: monitorizarea experimentelor de fuziune Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Să afli ce se întâmplă în miezul unui experiment de fuziune nucleară la 100 milioane de grade Clesius nu-i o treabă uşoară, dar există metode inteligente de a reuşi.

Vasul în care au loc
experimentele de fuziune
la JET are formă de
gogoaşă

Pentru imagine, multumim
Pink Sherbet Photography;
sursa imaginii: Flickr

Joint European Torus, JET, cel mai mare laborator pentru experimente de fuziune nucleară, se află lângă Oxford, în Marea Britanie. Aşa cum descriam în articolul anterior (Rüth, 2012), oamenii noştri cercetează o sursă de energie curată pentru viitor, o sursă ce implică fuziunea de atomi uşori într-o incintă cu formă de gogoaşă (un vas toroidal) având diametrul de aproximativ şase metri.

Nu are loc fisiune de atomi grei şi nu se implică uraniu – noi fuzionăm izotopi de hidrogen (deuteriu şi tritiu) rezultând atomi de heliu. Pentru a forţa atomii să fuzoneze se consumă o cantitate mare de energie, dar procesul de fuziune eliberează el însuşi mai multă energie.

Interiorul reactorului JET în
timpul unui puls de înaltă
energie. Miezul plasmei
este transparent deoarece
izotopii de hidogen au fost
complet ionizaţi, deci nu
mai au loc tranziţii de
electroni care să emită
radiaţie vizibilă – cu
excepţia unei mici şuviţe
de plasmă mai rece
observabilă înspre
marginea de jos a incintei

Pentru imagine, multumim
EFDA-JET

În interiorul reactorului, combustibilul (de obicei deuteriu; amestecul cu tritiul radioactiv este folosit doar ocazional) este încălzit până ce electronii sunt desprinşi de nucleele respective. Acest gaz ionizat se numeşte ‘plasmă’ şi constituie mediul ideal pentru coliziunea dintre nucleele care trebuie să fuzioneze. Plasma este de zece ori mai fierbinte decât miezul Soarelui şi goneşte prin vas, răsucindu-se şi rostogolindu-se într-o complicată capcană magnetică „ţesută” de specialiştii care controlează instalaţia.

Crearea unei materii atât de fierbinţi este o realizare majoră, însă menţinerea ei în capcană timp suficient pentru a se realiza un număr semnificativ de reacţii de fuziune este un aspect şi mai provocator – atât din cauza naturii extrem de turbulente a plasmei firbinţi, cât şi datorită tendinţei sale de a aduna impurităţi de la componentele din reactor. În consecinţă, s-a recurs la mecanisme sofisticate de control: pentru a monitoriza mai multe aspecte ale plasmei pe durata operaţiunilor; pentru a face ajustări de menţinere cât mai stabilă şi curată a plasmei; ori pentru anularea plasmei dacă ea devine prea turbulentă (vedeţi EIROforum, 2012).

Dar cum putem ştii ce se întâmplă în interiorul acestui vas etanş la tempertura de 100 de milioane de grade Celsius? Orice dispozitiv de măsurare pus în interiorul plasmei ar fi distrus – pulverizat în câteva secunde. Chiar şi privitul la experiment prin ferestrele etanşe ale reactorului se dovedeşte mult mai puţin informativ decât vă puteţi aştepta, plasma fierbinte fiind aproape transparentă. (Aceasta se datorează faptului că miezul plasmei este atât de fierbinte întât toţi electronii s-au desprins de nucleele atomilor şi nu mai au loc tranziţii electronice – sursa luminii vizibile.)

Totuşi există şi metode de a afla ce se întâmplă în plasmă. Înţelegerea concretă a acestei harababuri de particule de mare viteză se bazează pe aproape o sută de metode de diagnosticare: camere video, senzori, detectoare, laseri, fascicule de ioni, bobine – pentru a numi doar câteva. Vom discuta despre unele dintre aceste sisteme de monitorizare în articolul de faţă.

O imagine simplificată a reactorului JET. A: o imagine tridimensională şi cu secţiune a vasului cu formă toroidală a reactorului. B şi C: matrice de bolometre orizontale şi verticale (desenate cu roşu). Razele roşii din imagine simbolizează liniile de vedere ale bolometrelor. D: sistemul de detectare a razelor gama este figurat cu albastru (radiaţia gamma este canalizată în afara vasului, prin pereţii de ciment înconjurători, până la detectorul care se află într-o incintă separată). Clicați pe
imagine pentru a o mări

Pentru imagine, multumim EFDA-JET

Avem fuziune! spun razele Gamma

Principalul produs al reacţiei de fuziune îl constituie neutronii rapizi. Pe lângă măsurarea numărului de neutroni, noi verificăm în plus numărul reacţiilor de fuziune nucleară cu o a doua măsurătoare: numărul de raze gamma.

Detectorul de raze gamma
din JET funcţionează
similar cu contorul Geiger,
prezentat aici. Un contor
Geiger este folosit pentru a
măsura diverse forme de
radiaţie ionizantă, inclusiv
razele gamma

Pentru imagine, multumim
Radioactive Rosca; sursa
imaginii: Flickr

Pe lângă reacţia principală dintre deuteriu şi tritiu, pe durata fuziuni au loc şi alte mici reacţii în plasmă, unele dintre ele lăsând nucleele atomice în stări de energie excitate. Similar electronilor ajunşi la nivele de energie excitate, aceste nuclee eliberează acel surplus de energie sub formă de radiaţie electromagnetică. Deoarece nivelele de energie nucleară sunt foarte înalte, are loc emisie de raze gamma, mai degrabă decât emisie de lumină vizibilă sau ultravioletă datorată electronilor.

Razele gamma trec fără a fi detectate prin camerele video/foto, astfel că este necesar un sistem de detecţie specializat. Reactorul este înconjurat de pereţi de ciment cu grosimea de 2 metri special pentru a reţine radiaţia. Însă s-a prevăzut o conductă ce canalizează o parte din radiaţie în afara pereţilor reactorului, către laboratorul de detectare a razelor gamma. Aici folosim un sistem similar contorului Geiger, dispozitiv care generează un curent electric pe măsură ce razele gamma trec printr-o mică incintă de test, ionizând gazul din interiorul acesteia. De fapt contorizăm pulsurile electrice prin două subsisteme – unul având o vedere verticală prin incintă, celălalt o vedere orizontală – şi astfel estimăm câte reacţii de fuziune s-au realizat, dar şi unde au avut loc.

Măsurarea scăpărilor de energie: bolometria

Una dintre cheile de succes ale experimentului de fuziune nucleară este reţinerea în captivitate a fluxului – împiedicarea energiei să iasă din plasmă. Chiar dacă menţinem captive particulele, cantităţi semnificative de energie pot scăpa din fluxul de plasmă sub forma radiaţiei electromagnetice. Deşi pare transparentă, plasma lasă în afară o cantitate de radiaţii pe care noi nu o putem vedea. Pentru a măsura această scurgere de radiaţie avem nevoie de un dispozitiv care, spre deosebire de ochii umani, să poată vedea radiaţii cu mai multe lungimi de undă. Pentru aceasta folosim un bolometru, care în principiu este – surprinzător – doar o fâşie mică de metal. Radiaţia electromagnetică de orice tip – precum undele radio, radiaţia UV sau razele gamma – încălzeşte metalul modificându-i deci rezistenţa, care se poate măsura uşor.

Una dintre cauzele principale ale apariţiei radiaţiilor reziduale o constituie prezenţa impurităţilor în plasmă, care – la rândul lor – provin din pereţii reactorului. Este important să aflăm unde se manifestă impurităţile – la extremităţile fluxului de plasmă ele nu constituie o problemă, dar în miezul fierbinte ele ar consuma energie din cea mai importantă zonă.

Câmpuri magnetice intense
ţin acest flux de plasmă
extrem de fierbinte departe
de pereţii interiori ai
reactorului. Câmpurile
magnetice sunt de multe
ori mai intense decât acela
al acestei bare de magnet,
câmp revelat de pilitura
de fier

Pentru imagine, multumim
daynoir; sursa imaginii: Flickr

Cu un singur bolometru nu putem distinge între radiaţiile provocate în miez şi cele de la extremităţi, dar cu mai multe devine posibil să construim o hartă 3D detaliată a surselor de radiaţie nedorite. Pentru aceasta se pune fiecare bolometru în spatele unei perechi de orificii pentru a-i îngusta câmpul de vedere. Apoi rezultatele prelevate din toate aceste vederi distincte – unele prin mijlocul plasmei, altele spre margini – sunt combinate printr-o prelucrare inteligentă pentru a construi o imagine 3D. Această construire a imaginii 3D dintr-o mulţime de măsurători individuale este o tehnică similară cu cea folosită în tomografia medicală, unde o imagine 3D este compilată din mai multe raze X singulare prelevate din unghiuri diferite.

Pândirea punctelor fierbinţi: camerele video

O vedere în infraroşu a
reactorului JET pe durata
unui experiment, arătând
pete fierbinţi acolo unde
plasma atinge peretele.
Clicați pe imagine pentru
a o mări

Pentru imagine, multumim
EFDA-JET

Pare incredibil faptul că o plasmă având temperatura peste 100 milioane de grade Celsius poate fi conţinută într-un vas de metal. Pentru a menţine plasma la distanţă de pereţii vasului, se creează un câmp magnetic intens, generat de bobinele din jurul reactorului JET. Pereţii interiori au fost recent renovaţi cu plăci de beriliu, element metalic având punctul de topire la 1278°C. Unul dintre elementele cheie ale acestei configuraţii este matricea de camere video folosite pentru a controla faptul că plasma nu se apropie prea mult de pereţii vasului.

Indicaţia că plasma a ajuns prea aproape este dată de apariţia unei pete fierbinţi pe perete, care emite ceea ce se numeşte ‘radiaţia corpului negru’. Pentru ochiul uman o pată fierbinte stăluceşte în roşu la aproape 500°C, şi devine portocalie la 1000°C. Totuşi, aici detectăm astfel de incidenţe mult mai repede, deoarece o pată fierbinte va emite radiaţie infraroşie imediat ce devine mai caldă decât vecinătatea sa.

Sus: Spre deosebire de
ochiul uman, o cameră foto
digitală poate înregistra
radiaţia infraroşie de la
telecomanda TV. Jos: Deşi
lumina vizibilă a lanternei
este absorbită integral de
către cola, lumina
infraroşie nu este. Clicați
pe imagine pentru a o mări

Pentru imagine mulţumim
EFDA-JET

Există multe camere video capabile să detecteze radiaţie infraroşie (folosind ceea ce se cheamă ‘configuraţie pentru vedere nocturnă’), iar aici ele s-au implementat pentru a semnala apariţia de pete fierbinţi, constituind un sistem de protecţie a experimentului de fuziune. Dacă se detectează apariţia unei pete în pereţii interiori ai ractorului, atunci plasma este reajustată fie împingând-o de lângă perete cu ajutorul câmpului magnetic, fie diminuând energia de reacţie pentru a reduce temperatura (înainte de apariţia vreunei pagube).

Activitate complementară: vizualizarea luminii infraroşii

Mai toate camerele foto/video sunt sensibile la infraroşu – inclusiv cele din telefoanele mobile. Acţionaţi o telecomandă de televizor către cameră şi veţi putea vedea acea radiaţie care emite codul special pentru TV.

Apoi, arătaţi că lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice determină cât de bine trece aceasta printr-un material – pentru a înţelege de ce avem nevoie să folosim tipuri diferite de detectoare pentru a monitoriza diferitele tipuri de radiaţie emise de reactor. Luminaţi cu o lanternă printr-un pahar de cola: lumina vizibilă de la lanternă este absorbită de băutură. Apoi acţionaţi telecomanda TV prin paharul de cola în timp ce monitorizaţi cu o cameră foto: lumina infraroşie traversează lichidul.

 

Mai multe despre EFDA-JET

Ca un proiect colectiv, reactorul Joint European Torus (JET)w1 este folosit in comun de peste 40 de laboratoare europene de cercetare a fuziunii nucleare. Acordul EFDA (European Fusion Development Agreement) oferă platforma de exploare a JET, şi peste 350 de cercetători şi ingineri din toată Europa contribuie astăzi la programul JET.

EFDA-JET este membru al EIROforumw2, editorul revistei Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr. Phil Dooley este ofiţer de comunicare şi de educaţie la EFDA-JET. El s-a născut în Canberra, Australia, şi a obţinut doctoratul în fizica laserilor la Universitatea Naţională Australiană. Pentru a ieşi din mediul academic el şi-a luat un slujbă de IT în Rarotonga, Insulele Cook, pentru 18 luni, după care s-a întors în Australia şi a lucrat ca instructor de informatică. Dragostea pentru ştiinţă l-a tras înapoi către fizică, de data aceasta în postura de comunicator, conducând un program de propagandă şcolară la Universitatea din Sydney. În octombrie 2011 Phil s-a alăturat echipei EFDA-JET din Oxfordshire, Marea Britanie.


Review

Urmând unui articol anterior din Science in School (Rüth, 2012), articolul de faţă oferă o imagine clară a detectorilor folosiţi în cercetarea privind fuziunea nucleară. Profesorii vor putea folosi acest articol pentru a furniza elevilor informaţii despre cum se monitorizează fuziunea, şi despre dificultăţile şi provocările pe care cercetătorii le înfruntă când lucrează la temperaturi atât de înalte.
Întrebări pentru discuţii didactice de înţelegere şi extindere a cunoştinţelor:

  • De ce este necesară o cantitate mare de energie pentru ca fuziunea să aibă loc?
  • Ce tip de material s-a folosit pentru pereţii vasului reactor? De ce?
  • Ce dispozitive se folosesc pentru a urmări ce se întâmplă în fluxul de plasmă?
  • Cum este suspendată plasma între pereţi şi cum este menţinută la o distanţă sigură faţă de aceştia?
  • Cum se pot detecta scurgerile de energie?

Dialogul cu elevii ar putea merge mai departe, discutând despre impactul energiilor asupra mediului, despre sustenabilitate şi despre importanţa cercetărilor de acest fel.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-ND