Fizicienii de la laboratorul Lawrence Livermore au reuşit să creeze în mod repetat reacţii record de fuziune nucleară, producând mai multă energie decât au consumat

La sfârşit de an, fizicienii de la laboratorul Lawrence Livermore din SUA au raportat progresele majore pe care le-au obţinut în ultimele luni în fuziunea nucleară. Vorbim de aceeaşi echipă de fizicieni care a reuşit în decembrie 2022 să atingă pentru prima dată o reacţie de fuziune nucleară care a produs mai multă energie decât a consumat pentru declanşarea sa, documentată cu calcule oficiale. Această realizare din anul trecut a determinat autorităţile din SUA să elaboreze o lege dedicată fuziunii nucleare, definind-o separat faţă de fisiunea nucleară clasică, folosită în ultimele decenii, şi asigurându-i totodată suficiente facilităţi şi stimuli încât această nouă industrie să poată progresa rapid. Multe startup-uri care lucrau la fuziune nucleară s-au relocat în SUA în urma acelei legi, iar SUA a devenit un soi de nu Silicon Valley în fuziune nucleară de atunci. Iar acum, la un an de la prima realizare istorică, fizicienii de la Lawrence LIvermore au anunţat că pe parcursul ultimelor luni au reuşit să repede succesul de anul trecut de mai multe ori, şi totodată au anunţat ce piedici mai trebuie depăşite pentru ca omenirea să poată face uz pe larg de fuziunea nucleară.

Reamintim, fuziunea nucleară e procesul invers faţă de fisiunea nucleară pe care omenirea o foloseşte de mai multe decenii la centralele nucleare şi în tot soiul de reactoare nucleare obişnuite. La fisiunea folosită până în prezent, atomii grei sunt disipaţi în atomi mai mici, suma maselor cărora e mai mică decât masa iniţială, iar diferenţa se emană în energie. Doar că atât atomii iniţiali sunt ai materialelor grele, radioactive, cât şi atomii rezultaţi, sub formă de deşeuri care trebuie stocate mult timp. Însă cantitatea de energie emanată e enormă, de aici şi randamentul uriaş al energiei generate prin această metodă. La fuziunea nucleară doi atomi fuzionează în loc să se disipeze, iar masa atomului rezultat e mai mică decât sumele celoi doi anterior, diferenţa fiind din nou emanată sub formă de energie. Problema e că această reacţie are nevoie de 150-200 milioane de grade Celsius ca să se producă, în condiţii cel puţin la fel de fierbinţi ca şi Soarele, dar e preferabil să existe 200 milioane grade pentru un randament mai bun. Să încălzeşti pe pământ orice mediu la o asemenea temperatură necesită o cantitate uriaşă de energie, iar reacţia e şi foarte greu de stăpânit într-un mediu controlat. Beneficiul e că atomii ce intră în ecuaţie sunt hidrogen şi heliu, prin urmare nici până la reacţie, nici după reacţie, nu există produse radioactive.

Foto: Fizicienii studiază fuziunea nucleară de la sfârşitul anilor '50 ai secolului trecut

Calculele teoretice arătau de mult timp, încă de la sfârşitul anilor 1950, că şi reacţia de fuziune poate genera energie netă, la fel ca şi fisiunea, doar că dificultăţile de a o controla au împiedicat demonstraţiile practice. Oamenii de ştiinţă folosesc reactoare toroidale pentru a controla cu câmp magnetic aceste reacţii şi au avansat foarte mult, de curând fiind lansat şi cel mai mare asemenea reactor în Japonia, care le va permite acestora să studieze, să experimentele repetat şi să perfecţioneze elementele care încă mai lipsesc din a putea genera aceste reacţii pe durată lungă, constantă.

Foto: Noul reactor toroidal de fuziune nucleară JT-60SA din Japonia

Între timp, însă, în decembrie 2022 fizicienii de la Lawrence Livermore, despre care vorbim azi, reuşiseră să obţină o reacţie documentată de fuziune cu producţie netă de energie în decembrie 2022. Ei n-au folosit un reactor toroidal, însă, ci un cilindru cu multe fascicule laser concentrate din ambele părţi spre acelaşi punct, înfierbântând astfel acel punct şi generând transformarea în plasmă şi declanşarea reacţiei de fuziune nucleară. În acea reacţie fulgerător de scurtă, per total s-au consumat 2,05 megajouli de energie şi s-au produs 3,15 megajouli. Transformat în kWh, asta înseamnă că s-au consumat 0,57 kWh şi s-au produs 0,875 kWh. Poate suna puţin, însă asta înseamnă că s-au obţinut înapoi 153,5% de energie faţă de cât s-a consumat.

Totuşi, teoria fuziunii nucleare spune că eficienţa ar putea fi mult mai mare de atât, atunci când oamenii de ştiinţă vor elimina toate pierderile. Iar fizicienii de la Lawrence Livermore au anunţat că, deşi laserele lor au permis repetarea reacţiei de fuziune nucleară cu producţie netă de energie, aceste lasere sunt uimitor de ineficiente, pierzând 99% din energia pe care o primesc şi direcţionând doar 1% de energie spre punctul de fuziune nucleară. Deci, ar fi loc uriaş de îmbunătăţire în întreg procesul reacţiei şi scalarea ei, şi asta ar mai dura câţiva ani, dar totuşi, repetarea experimentului e cheia demonstraţiilor fizice, iar aceşti fizicienii au reuşit să demonstreze repetat pe parcursul ultimului an că fuziunea poate produce mai multă energie decât consumă.

La 30 iulie 2023, conform rapoartelor lor, o nouă astfel de reacţie a produs şi mai multă energie decât a consumat şi aici a fost atins un nou record de eficienţă. S-au consumat 2,05 MJ de energie şi s-au obţinut înapoi 3,88 MW, ceea ce înseamnă că s-a obţinut înapoi 189,2% de energie faţă de cât s-a consumat, cu mult mai mult decât cifra de 153,5% atinsă în decembrie anul trecut!

Alte două repetări de reacţii au avut loc în octombrie, care au produs şi ele mai multă energie, dar fără a depăşi recordurile. Alte reacţii cu energie netă produsă au mai avut loc în iunie şi septembrie, dar acolo surplusul a fost mai mic decât în decembrie 2022.

Annie Kritcher şefa echipei care a făcut aceste experimente la Lawrence Livermore, spune că, pe de o parte, obţinerea repetată a reacţiilor cu producţie de energie netă e o demonstraţie incontestabilă e viabilităţii fuziunii nucleară şi a perspectivelor uriaşe ale acesteia. Dar de cealaltă parte, echipa sa înţelege că e nevoie uriaşă de a perfecţiona laserele, astfel încât ele să poată dirija fascicule mai concentrat, mai simetric, cu pierderi mai mici de energie. Ea a spus că unele perfecţionări aplicate recent le alte lasere de test, dar încă neîncadrate în procese de fuziune, arată că deja s-a obţinut o eficientizare cu 7%. Însă, atunci când ai de redus o ineficienţă de 99%, e foarte mult de lucru ca să poţi reduce pierderile.

Foto: Annie Kritcher şefa echipei de aceste experimente cu fuziune nucleară la Lawrence Livermore

Şi în următorul an fizicienii vor munci în primul rând la asta. Şi doar o îmbunătăţire măcar de la 99 la 50% ar schimba tabloul extraordinar de mult şi ar permite deja construcţii la scară largă. Şi aşa, teoretic se pot face deja lucruri la scară mare, dar e mai logic să se elimine acum toate ineficienţele posibile înainte de a se trece de la construcţii de miliarde la scară mare.

Stephen Moyle, unul din membrii echipei de fizicieni, ţine în mână o componentă din tubul cu lasere, pentru a demonstra scara mică a acestui „reactor”

Pentru că în final, un reactor tokamak sau un asemenea reactor cilindric cu lasere, care ar funcţiona cu fuziune nucleară, ar putea furniza suficientă energie pentru o întreaga ţară de mărimi medii, având nevoie doar de cantităţi mici de hidrogen drept combustibil iniţial şi de energie pentru pornirea sa, după care pur şi simplu o parte din energia produsă ar fi redirecţionată înapoi pentru menţinerea reacţiei, iar surplusul de energie ar fi direcţionat în reţea. Şi vorbim de mulţi GW putere pentru un singur asemenea reactor mare, iar la scară mai mare reactoarele tokamak promit chiar posibilitatea de a livra TW de putere!

Suntem aproape, deci, de această metodă nouă de a genera energie în belşug pentru Pământ. Nu atât de aproape încât să vedem reactoare şi centrale în 1-2 ani, dar în 2-3 ani am putea vorbi despre procese deja stabilizate, iar în vreo 10 ani am putea vedea primele reactoare, pentru ca în vreo 20 de ani să putem vorbi deja despre un fenomen la scară largă pentru omenire.