Scoţând energie ca din Soare: reactoarele de fuziune Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Energie regenerabilă, curată, nelimitată – cum poate fi obţinută? Christine Rüth de la EFDA ne prezintă tokamak-ul, cel mai avansat dispozitiv de fuziune.

Pentru imagine, multumim Rita
Thielen / Pixelio

Soarele produce cantităţi imense de energie prin fuzionarea nucleelor de atomi uşori în particule mai grele. Dacă savanţii ar putea face acest proces să lucreze stabil pe Pământ, am avea o sursă de energie aproape inepuizabilă şi nepoluantă. O uzină de energie electrică de 1 gigawatt ar consuma doar 250 kilograme de combustibil pe an şi ar produce electricitate fără să emită dioxid de carbon. O termocentrală cu aceeaşi capacitate arde 2,7 megatone de cărbune pe an.

Spre deosebire de fisiune, fuziunea nu este o reacţie în lanţ, ceea ce o face esenţialmente sigură: pentru a opri reacţia este suficient să oprim alimentarea cu combustibil. Mai mult, deşi anumite componente ale reactorului de fuziune devin radioactive pe durata funcţionării, această radioactivitate are termen scurt: materialele pot fi manevrate după aproximativ 100 de ani, spre deosebire de cele câteva mii de ani necesare în cazul reactorului de fisiune (pentru detalii suplimentare, vedeţi Warrick, 2006).

Figura 1: O centrală electrică
de fuziune va uni nucleul de
tritiu (doi neutroni, albaştri,
un proton, roşu) cu cel de
deuteriul (un neutron, un
proton), generând un nucleu
de heliu-4 şi un neutron cu
energie înaltă
.
Pentru imagine, multumim
EFDA-JET

Cercetătorii din cadrul celui mai mare experiment european de fuziune (Joint European Torus – JET), din Culham, Marea Britanie, au făcut în ultimii 30 de ani progrese semnificative în privinţa energiei de fuziune. Cu toate acestea, experimentul JET încă necesită mai multă energie decât produce – ceea ce nu se potriveşte pentru o uzină energetică. Următorul pas va fi experimentul internaţional ITER, planificat pentru pornire în 2019. Se aşteaptă ca ITER să fie primul experiment capabil să producă un surplus de energie – 500 de megawaţi pe baza a 50 de magawaţi consumaţi. (vedeţi Warrick, 2006). Aceasta ar dovedi că uzinele electrice pe bază de fuziune sunt viabile.

Deci cum funcţionează?

Pentru a obţine fuziune pe Pământ, cercetătorii au ales cea mai eficientă reacţie care are loc în Soare – fuziunea a doi izotopi de hidrogen: deuteriul şi tritiul. Această reacţie conduce la obţinerea unui nucleu de heliu-4 şi a unui neutron, care poartă 80% din energia de fuziune (Figura 1). Aceşti neutroni sunt capturaţi în peretele de oţel al reactorului de fuziune, care transferă căldura unor fluide de răcire circulând prin perete, şi care pot – la rândul lor – să acţioneze o turbină pentru a produce electricitate (similar termocentralei).

Figura 2: Schema în secţiune
a tokamak-ului JET,
prezentând vasul de oţel
înconjurat de opt bobine mari
de cupru care produc câmpul
magnetic necesar reactorului.
De observat persoana din
stânga pentru a avea o
indicaţie privind mărimea
instalaţiei
.
Pentru imagine, multumim
EFDA

Dispozitivul de fuziune

Astăzi, cel mai avansat tip de dispozitiv de fuziune este tokamak-ul. Inima tokamak-ului este reactorul, un vas de oţel în formă de inel (cameră toroidală cu câmp magnetic axial) ce prezintă numeroase deschideri pentru încălzire, măsurători şi alte sisteme, şi cu un perete interior aliniat cu plăcile termo-rezistente removabile (Figura 2). Pentru a porni procesul de fuziune, vasul este vidat – la JET, valoarea depresiunii este de 0.00000001 milibari – şi apoi se introduc câteva grame de deuteriu şi tritiu în stare gazoasă. Gazul este apoi încălzit la peste 10 000 °C, punct în care electronii se rup de nucleu. Acest gaz ionizat – numit plasmă, cea de-a patra stare de agregare a materiei – stă la baza producerii de energie de fuziune.

Condiţii pentru fuziune

Soarele, în viziunea
Telescopului Ultra-violet
extrem din apropierea
Soarelui şi a Observatorului
Heliosferic (SOHO), staţionat
la 1.5 milioane kilometri
depărtare de Pământ
.
Pentru imagine, multumim ESA,
NASA, SOHO / EIT team

Să punem nucleele să fuzioneze nu-i o treabă simplă: fiind încărcate pozitiv, ele se resping reciproc, deci au nevoie de o viteză foarte mare în momentul ciocnirii pentru a fuzionaw1. Deoarece viteza particulei depinde de temperatură, plasma din reactor trebuie să atingă milioane de grade Celsius înainte ca procesul de fuziune să înceapă. Deşi plasma pierde căldură la extremităţi, ea se poate menţine fierbinte prin absorţia energiei purtate de nucleele de heliu produse în reacţie, astfel că acest proces de fuziune auto-susţinută poate continua cât timp în reactor este injectat combustibil. Totuşi, provocarea constă în a atinge starea şi în a aprinde plasma. Pentru aprindere, plasma trebuie să fie suficient de fierbinte şi de densă (pentru a asigura rata necesară reacţiei de fuziune), şi să-şi menţină energia suficient de mult timp – această ultimă condiţie numindu-se timp de captivitate/detenţie.

Rezultatul celor trei parametrii – temperatura, densitatea şi timpul de captivitate – este produsul triplu, un parametru central în ştiinţa fuziunii. În mod tipic, pentru ca reacţia de fuziune să se iniţieze, plasma trebuie să aibă 100-200 milioane °C, cu o densitate de aproximativ 1020 particule pe metru cub, (aproximativ 1 mg/m3, adică o milionime din densitatea aerului) iar această stare trebuie menţinută pentru 3-6 secondew2. Obţinerea unei temperaturi atât de înalte pare dificilă, însă nu încălzirea este problema principală (vedeţi mai jos). Timpul de detenţie este parametrul dificil de obţinut – menţinerea acelei temperaturi (şi a densităţii) – deoarece plasma pierde rapid energie, şi la fel se întâmplă şi cu particulele.

Cum funcţionează un tokamak-ul?

1) Menţinerea compactă a plasmei: câmpurile magnetice

Pentru a menţine temperatura înaltă şi pentru a proteja pereţii reactorului (care altfel s-ar eroda rapid), plasma trebuie ţinută departe de aceştia. Pentru aceasta, cercetătorii în fuziune exploatează forţa Lorentz, care apare când o particulă cu sarcină electrică se deplasează într-un câmp magnetic. Această forţă este perpendiculară atât pe direcţia deplasării particulei cât şi pe direcţia câmpului magnetic, cauzând deci rotirea particulei în jurul liniei de câmp magnetic. Rezultatul forţei Lorentz este că particula descrie o spirală în jurul liniei de câmp magntice – cu electronii şi nucleele deplasându-se în direcţii opuse (Figura 3).

Figura 3: Un câmp magnetic B determină o forţă asupra particulelor încărcate electric şi aflate în mişcare. Forţa electromagnetică ce se exercită astfel asupra unei particule având sarcina electrică q şi viteza v se numeşte forţă Lorentz şi este dată de formula
F = qE + qv × B
Primul termen (qE) este contribuţia câmpului electric. Cel de-al doilea termen (qv x B) este forţa magnetică şi are direcţia perpendiculară atât pe vectorul viteză v cât şi pe direcţia câmpului magnetic B (rotor vectorial). Forţa magnetică este proporţională cu sarcina q şi cu mărimea produsului v × B. Direcţia ei urmează unghiul ϕ dintre v şi B, iar modulul forţei este egal cu qvB sin ϕ.
(Sursa: Encyclopædia Britannica Online (forţa magnetică: sarcini în mişcare). Acesată în 23 ianuarie 2012. www.britannica.com/EBchecked/media/1319/
Magnetic-force-on-moving-charges
)

A: Pariculele cu sarcină electrică şi aflate în mişcare într-un câmp magnetic sunt supuse forţei Lorentz şi descriu o spirală în jurul liniilor de câmp. Particulele încărcate pozitiv parcurg această spirală în sens invers celor încărcate negativ.


B: Mişcarea particulelor în absenţa câmpului magnetic.
Pentru imagini, multumim EFDA

Figura 4: Câteva seturi de
bobine creează un câmp
magnetic eliptic care
„imobilizează” curentul de
plasmă. Bobinele de câmp
magnetic poloidal (cu bucle
de curenţi circulari) din
solenoidul central induc
curentul de plasmă. Clicați pe
imagine pentru a o mări
.
Pentru imagine, multumim
EFDA

Cel mai avansat design de capcană magnetică este tokamak-ul, o cameră vidă de formă toroidală (inelară) înconjurată de bobine. Un curent electric trecând printr-un set de bobine (înfăşurări magnetice toroidale, Figura 4) generează un câmp magnetic de formă inelară. Intensitatea acestui câmp magnetic toroidal nu este uniformă în secţiunea inelară, deoarece înfăşurările sunt mai strânse la interiorul torului. Astfel, particulele experimentează o forţă Lorenz mai puternică pe partea interioară a liniei de câmp magnetic în jurul căreia ele se rotesc. Astfel, ele sunt deviate gradat în afara liniei de câmp magnetic, spre marginea plasmei.

Pentru a reduce acest efect, se generează un câmp magnetic secundar, numit câmp poloidal. Câmpul magnetic eliptic produs se vântură în spirală în jurul plasmei şi o îngrădeşte foarte eficient. Cea mai uşoară metodă de a genera câmp poloidal este cea folosind curent de plasmă.

Acesta este generat când particulele de plasmă călătoresc dealungul inelului în jurul liniilor de câmp toroidale – electroni şi ioni deplasându-se în direcţii opuse. Ca şi un conductor, acest curent creează un câmp magnetic de formă inelară în jurul său. Este indus de un transformator în care plasma însăşi joacă rolul de înfăşurare secundară în jurul unei mari înfăşurări primare (bobinele de câmp poloidal din interior). Deoarece plasma tinde să alunece vertical, se foloseşte un câmp magnetic adiţional – creat de către o înfăşurare mai exterioară de câmp – pentru a-i controla poziţia şi forma.

2) Încălzirea

Pentru a încălzi plasma la temperatura de 100-200 milioane °C, cercetătorii în fuziune folosesc trei sisteme complementare (Figura 5).

Figura 5: Pentru a obţine o
plasmă de 100-200 milioane
°C, sunt folosite trei sisteme
de încălzire complementare:
încălzirea ohmică, injectarea
de particule neutre, şi
încălzirea prin frecvenţe
radio. Clicați pe imagine
pentru a o mări
.
Pentru imagine, multumim
EFDA
  1. Curentul de plasmă produce el însuşi căldură (încălzire ohmică) – la fel cum un conductor electric se încălzeşte când este parcurs de un curent electric semnificativ.
     
  2. Raze de particule de energie înaltă (atomi de hidrogen, uzual) sunt injectate în plasmă şi-şi transferă energia particulelor de plasmă prin ciocnire (putem asemăna cu o minge de biliard rapidă care loveşte o bilă mai lentă, şi care devine astfel vioaie). Fascicolul de particule este generat prin accelerarea de ioni cu înaltă tensiune. Deoarece pariculele încărcate nu pot penetra câmpul magnetic din jurul plasmei, ele sunt transformate în atomi neutri imediat înainte de injectare.

În practică, aceasta nu-i o sarcină facilă. Pentru a imprima particulelor suficientă viteză, un accelerator de particule se bazează pe forţa de atracţie pe care o tensiune înaltă (un câmp electric) o exercită asupra unei particule încărcate (sau asupra unui ion). Totuşi, doar particulele neutre electric pot penetra câmpul magnetic din jurul plasmei, astfel că atomii de hidrogen trebuie mai întâi deposedaţi de electronii în exces, acceleraţi şi apoi neutralizaţi din nou înainte de injectarew3.

  1. Se folosesc antene amplasate în incintă/tanc pentru a propaga în plasmă unde electromagnetice având anumite frecvenţe. Aceasta face ca particulele de plasmă aflate în deplasare spiralică să rezoneze şi astfel să absoarbă energia undei.

De ce durează aşa de mult până obţinem energie din fuziune?

Staţiile electrice ale viitorului
vor fi alimentate prin
fuziune?

Pentru imagine, multumim
Khánh Hmoong; sursa imaginii:
Flickr

Prin anii 1970, savanţii credeau că odată ce ar obţine suficientă plasmă fierbinte şi ar crea câmpuri magnetice destul de mari, atunci energia din fuziune ar fi gata de cules. Dar plasma s-a dovedit a fi foarte instabilă, şi pierde mai multă energie decât se aştepta. De atunci, cercetătorii au studiat aceste fenomene fizice şi au dezvoltat metode pentru a controla instabilităţile. Dacă, aşa cum s-a planificat, ITER obţine până la urmă un surplus net de energie din fuziune (dacă experimentul va produce mai multă energie decât consumă), atunci problemele pot fi considerate rezolvate şi prima centrală electrică bazată pe fuziune ar putea fi pusă în exploatare până în anul 2050.

 

Energia de fuziune

Fuziunea unui nucleu de tritiu (T) cu unul de deuteriu (D) eliberează 17,6 MeV de energie, din care 80% – 14,1 MeV – este transportată de neutron şi poate fi utilizată să producă electricitate. Prin fuzionarea a 1 kg deuteriu cu 1,5 kg tritiu (masa T este de 1,5 ori mai mare decât masa D) s-ar elibera 14.1/(2*1.67262*10-27) = 4.2*1027 MeV, ţinând cont că nucleul deuteriului are un proton şi un neutron, fiecare cântărind 1.67262·10-27 kg.

Un kilogram de D conţine 3·1026 nuclee (un nucelu D conţine un neutron şi un proton, fiecare cântărind 1.6·10-27 kg). Fuzionând 1 kg D (cu 1.5 kg T, pentru că masa T este de 1.5 ori mai mare decât masa D) rezultă un total de 3·1026 reacţii de fuziune însumând o energie eliberată de 14.1 x 3·1026 = 4.2 x 1027 MeV.

O centrală electrică cu fuziune, cu o eficienţă energetică de 40%, ar putea genera 70 GWh de electricitate (cu 1 eV = 1.6*10-19 J ori Ws) dintr-un kilogram de deutreriu, deci suficient pentru a alimenta 20 de gospodării medii dintr-o regiune industrială.

Deuteriul poate fi extras din apa de mare, unde este prezent în proporţie de 35 grame la un metru cub. Tritiul nu se găseşte în cantităţi mari în natură, dar poate fi obţinut din metale uşoare precum litiul, cu ajutorul unor neutroni produşi chiar în reacţia de fuziune:

6Li + n => 4He + 3H + energy

sau într-o reacţie similară cu 7Li. Multe dintre mineralele Pământului conţin litiu. Din 2,3 kg de litiu se obţine 1 kg de tritiu. O centrală electrică cu fuziune având capacitatea de 1 GW (capacitate similară unei centrale nuclearo-electrice) ar folosi într-un an 150 kg de tritiu şi 100 kg de deuteriu.

Mai multe informaţii despre EFDA-JET

Ca o asociere de investiţii, JET este exploatată în comun de peste 40 de laboratoare europene preocupate de fuziune. Acordul European pentru Dezvoltarea Fuziunii (EFDA) furnizează o platformă pentru exploatarea JET, la care astăzi contribuie peste 350 de cercetători şi ingineri din toată Europa.

EFDA-JET este memberă a EIROforumw4, editorul revistei Science in School.

Mulțumiri

Mulţumim domnului Örs Benedekfi, fostul şef al biroului de informaţii publice al EFDA, pentru contribuţia la acest articol.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – La festivalul internaţional de educaţie “Science on Stage” din 2007, Zoltán Köllö a câştigat un premiu cu o demostraţie de fuziune nucleară şi cu bariera Coulomb, folosind câteva picături de apă şi o cană. Pentru detalii vedeţi: www.esa.int/SPECIALS/Science_on_Stage/SEMRE58OY2F_0.html
    • Pentru a afla mai multe despre “Science on Stage”, reţeaua europeană de profesori de ştiinţe, urmăriţi: www.scienceonstage.eu
  • w2 – Pentru mai multe detalii despre fuziune, reactoare de fuziune şi despre EFDA-JET, vedeţi: www.efda.org
  • w3 – Pentru mai multe detalii despre cum se produc fasciculele de particule de înaltă energie, consultaţi web-site-ul EFDA (www.efda.org) sau folosiţi legătura directă: http://tinyurl.com/neutralbeam
  • w4 – Penru detalii despre EIROforum, vedeţi: www.eiroforum.org

Resources

  • Pentru a afla mai multe despre fuziunea ce are loc în Soare, citiţi:
  • Pentru o perspectivă cuprinzătoare asupra cercetării fuziunii în Europa, inclusiv informaţii despre fizica plasmei şi despre tipuri de reactoare (în documente dar şi animaţii şi filme), consultaţi: www.efda.org
  • Pentru a afla cum au creat savanţii plasmă în mod accidental în cuptoarele cu microunde, şi cum au folosit incidentul în cercetări, citiţi:

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr. Christine Rüth este redactor şef al publicaţiei de nouăţi a EFDA, Fusion in Europe. Şi-a luat doctoratul în domeniul climatologiei, şi consideră interesant că este acum implicată în cercetarea de soluţii de energie non-impact. După ce a lucrat ca fizician în industrie, ea şi-a luat masterul în ştiinţa comunicării şi a lucrat de atunci ca publicist în domenii ştiinţifice şi tehnice.


Review

Articolul descrie cercetările din domeniul producerii de energie electrică prin fuzionarea nucleelor atomice uşoare – aşa cum se întâmplă în Soare. El oferă profesorilor de fizică şi de ştiinţe o perspectivă detaliată asupra modului cum lucrează fuziunea, şi despre provocările întâlnite la producerea de energie în centrale de energie de fuziune.

Problematicile schimbării climei şi ale efectului de seră impun multor ţări să rezolve problema generării de energie regenerabilă într-o manieră sustenabilă. Acest articol ar putea fi util nu numai pentru lecţiile de fizică, ci şi pentru lecţii de biologie, geografie şi de limbă.
Articolul poate stimula discuţiile privind o serie de chestiuni, precum:

  • Cum are loc fuziunea?
  • De ce, chiar şi după 30 de ani de cercetări, încă nu putem produce energie în centrale electrice pe bază de fuziune? Care sunt provocările?
  • Care ar fi avantajele folosirii reactoarelor de fuziune?
  • Este acum sustentabilă producerea de energie prin fuziune?

Gerd Vogt, Şcoala Secundară pentru studierea mediului şi a economiei, Yspertal, Austria




License

CC-BY-NC-ND