O echipă de fizicieni din SUA a descoperit cheia către stabilizarea reactoarelor tokamak, care ar putea furniza omenirii cantităţi enorme de energie, fără radiaţii

În timp ce pe o mare parte a mapamondului sunt într-o dezvoltare galopantă parcurile eoliene şi solare pentru a furniza energie regenerabilă, există şi câteva metode cunoscute mai demult de a crea electricitate cu zero emisii, unele din care au fost asimilate complet, altele doar parţial, unele având şi alte efecte adverse nedorite, altele nu. Spre exemplu, hidrocentralele generează zero emisii în operarea lor şi ţări precum Norvegia, Elveţia, dar şi România parţial, le folosesc pe larg. În acelaşi timp, reactoarele nucleare pot furniza capacităţi enorme de electricitate, fără intermitenţe, tot cu zero emisii directe, dar cu acumularea unor cantităţi relativ mici de deşeuri nucleare, care trebuie stocate în siguranţă mult timp înainte. Finlanda, de exemplu, are o nouă construcţie subterană, special pentru asta, care permite stocarea deşeurilor generate timp de 100 de ani de la centralele sale actuale şi viitoare. Dar centralele nucleare mai vin şi cu riscul emiterii de radiaţii în cadrul unei avarii. În funcţie de încrederea în ştiinţă şi disciplina măsurilor de siguranţă de la centralele nucleare, există ţări precum Franţa, Polonia sau Finlanda, care construiesc reactoare noi, dar există şi cele care le închid total, precum Germania, care a pus punct energiei nucleare în ţară. Însă există şi o altă soluţie de a crea electricitate pe bază nucleară, printr-un proces invers faţă de cel folosit în prezent.

Foto: Reactor nuclear nou din Finlanda, inaugurat în 2023

La centralele actuale se foloseşte procesul numit fisiune, când nucleele atomilor din elementele grele sunt dezintegraţi în mai multe nuclee mici, eliberând radiaţii şi energie termică în cantităţi uriaşe. Procesul relativ invers are numele de fuziune nucleară şi el presupune că două nuclee atomice interacţionează la temperatură foarte mare şi fuzionează, formând un nucleu mai uşor, iar diferenţa de masă se transformă în energie sub formă de căldură şi lumină. Acest proces de fuziune funcţionează de milioane de ani în stele, inclusiv în soarele din sistemul nostru. Şi tot el stă la baza reactoarelor toroidale, numite şi tokamak, studiate pentru prima dată în anii 50 în URSS, numele de tokamak venind de la abrevierea „toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami”, sau camera toroidală cu bobine magnetice.

Fizicienii sunt fascinaţi de posibilităţile teoretice ale acestor reacţii nucleare şi spun că un asemenea reactor ar putea crea de 10 ori mai multă energie decât consumă, fiind autosustenabil şi consumând hidrogen în reacţiile sale. În această reacţie nu există emisii radioactive, deci dacă oamenii ar putea-o stabiliza, ar putea produce electricitate cu un randament de câteva ori mai mare decât reactoarele nucleare actuale, fără emisii radioactive care trebuie izolate şi fără riscul poluării în cazul unei avarii.

Foto: Reactor toroidal

Dar, după cum putem sesiza, oamenii de ştiinţă încă n-au reuşit să stăpânească acest proces pe termen lung. Pe de o parte, problema e că declanşarea acestor reacţii are nevoie de o temperatură iniţială foarte mare, de minim 100 milioane grade Celsius, dar reacţia e mai eficientă la 150 milioane grade Celsius. După ce reacţia porneşte, temperatura poate fi auto susţinută, însă la început e nevoie de ea. O altă problemă este că atunci când aceste reacţii s-au produs în formă experimentală, există cantităţi mari şi de electroni instabili pe circumferinţa reactorului toroidal, care trebuie menţinuţi sub control, pentru a nu duce la autodistrugere. Tocmai de asta, încercările de a testa acest reacţii până acum durau la început câteva secunde apoi câteva minute, doar pentru a confirma că o asemenea reacţie poate fi declanşată, că fuziunea are loc după cum era prezis teoretic şi că ea generează cantităţi imense de energie, apropiate de calculele oamenilor de ştiinţă. Toate aceste lucruri au fost deja demonstrate prin experimente din 1958 încoace, iar în 2022 un grup de oameni de ştiinţă din China a reuşit să stabilească un record mondial, asigurând funcţionarea unui reactor tokamak într-o reacţie de fuziune ce a durat 17 minute şi 36 secunde!

Foto: Reactorul Tokamak din Hefei, China, cel care a reuşit să marcheze recordul mondial de durată a reacţiei de fuziune, în 2022

Atunci s-a făcut un salt gigantic, de la recordul anterior de nici 2 minute, iar succesul chinez de anul trecut i-a motivat pe fizicienii din întreaga lume să studieze cu un nou avânt aceste reactoare, în încercarea de a le stabiliza funcţionarea pe termen lung, infinit de lung practic, de zeci de ani. Pentru că doar aici e problema, în stabilizarea lor. Tocmai de asta, s-a ajuns ca până şi o universitate din Australia să anunţe recent că studenţii săi vor construi primul reactor tokamak universitar din lume, cu scopul de a învăţa o generaţie nouă de specialişti şi de a genera idei noi pentru soluţia atât de căutată. Pentru că miza e uriaşă — dacă omenirea ar putea găsi cheia în stabilizarea acestor reactoare, ar putea construi brusc un număr mare de reactoare, cu mulţi GW de putere fiecare, fără risc pentru mediu şi sănătate şi şi-ar putea acoperi în doar câţiva ani toate necesităţile de energie pe mult timp înainte, fără a avea nevoie să mizeze atât de mult pe alte surse, precum energia eoliană sau fotovoltaică, sau baterii imense de stocare a acesteia. E ca şi cum am descoperi un izvor aproape nesfârşit şi nelimitat de energie, după cum îl descriu fizicienii.

Ei bine, descoperirea despre care vorbim azi spune că a găsit cheia în stabilizarea acestor reactoare tokamak, iar calculele teoretice şi experimentele la scară mică par să confirme veridicitatea celor pretinse de echipa de fizicieni autori. Fizicienii sunt membri ai unei echipe de la Laboratorul de Fizică a Plasmei din Princeton, SUA, şi a câtorva profesori şi cercetători de la Universitatea Columbia. Şi aceştia, sub conducerea lui Chang Liu, spun că secretul se ascunde în undele Alfven, numite după fizicianul care le-a descoperit şi a câştigat premiul Nobel în 1970.

Foto: Chang Liu, liderul echipei de fizicieni care a anunţat descoperirea de acum

Aceste unde erau cunoscută că afectează comportamentul electronilor din reactoarele tokamak, dar se considera că efectul lor e negativ, pentru că slăbea scutul magnetic creat de bobine şi permitea unui număr mare de electroni să „evadeze” din lanţul de reacţii din reactor, scăzând astfel randamentul. Fizicienii menţionaţi acum au descoperit, însă, că dacă se creează vârtejuri de unde Alfven acestea pot ţine electronii într-un mediu controlat, mult mai stabil, fără a le permite acestora să ajungă la etapa în care vor să evadeze din reacţie. Iar asta înseamnă că aceste vârtejuri de unde Alfven pot ţine deja sub control reacţia de fuziune nucleară din intermediul unui reactor toroidal, garantându-i funcţionarea stabilă a acestuia pe termen lung. Mai mult ca atât, printr-o construcţie corectă unei zone din reactorul tokamak, acest vârtej de unde Alfven ar fi generat de însăşi reacţia de fuziune şi de electronii de acolo. Deci nu e vorba de energie suplimentară sau un proces de management activ, ce de o construcţie care determină apariţia naturală a acestor unde Alfven şi direcţionarea lor corectă într-un vârtej, care „ecranează” practic, reacţia de fuziune în reactor şi o ţine stabilă.

Foto: Reprezentare grafică a undelor Alfven

Ca întotdeauna în cazul unor asemenea descoperiri mari, oamenii de ştiinţă şi-au publicat studiul complet, pentru a putea fi verificat şi reconfirmat de colegii lor de oriunde din lume. Şi deocamdată toate reacţiile sunt de confirmare a calculelor, efectelor şi construcţiei propuse. Acum rămâne ca acest lucru să se verifice pe un reactor tokamak adevărat. În Franţa e în proces de construcţie un asemenea reactor cu efort internaţional, ITER, cu rol de a integra cât mai multe sisteme experimentale în el şi de a le testa pe toate, pentru a găsi cea mai bună combinaţie dintre ele şi a de avea până la urmă formula cu adevărat funcţională şi verificată a acestui tip de reactor. Iar descoperirea anunţată acum cu undele Alfven a fost deja acceptată verbal, urmând a fi şi oficializată, pentru a fi testată acolo, în noul reactor experimental are va fi construit. Deci, testele de viaţă reală vor urma!

Foto: Construcţia actuală a reactorului tokamak experimental din Franţa

E una din acele descoperiri care pot avansa şi pot fi validate doar cu cooperare internaţională, a ştiinţei şi oamenilor de ştiinţă din multă ţări. Dar e totodată una din acele descoperiri care, dacă se validează, pot schimba istoria. Şi de această dată, fără efectele adverse nedorite ale reactoarelor nucleare de până acum, istoria ar putea să se schimbe indubitabil doar spre bine.