O echipă de ingineri din SUA a creat un reactor de fuziune nucleară din magneţi casnici şi accesibili, folosind idei abandonate de acum 60 de ani

Fuziunea nucleară are parte de o realizare remarcabilă, în care o echipă de ingineri din SUA a reuşit să creeze un reactor rudimentar din magneţi absolut obişnuiţi, casnici şi răspândiţi pe larg, deci accesibili. Asta ar putea da un impuls major în tehnologia şi metodele de atingere a fuziunii in perspective noi, cu potenţial de a accelera dezvoltarea şi a reduce costurile în viitor.

Fuziunea nucleară, acel proces similar celui de pe Soare şi orice altă stea din univers, e o tehnologie inversă fisiunii nucleare, folosită în prezent la reactoarele nucleare ce produc electricitate. Dacă la fisiune atomii grei sunt loviţi cu putere şi disipaţi, eliminând energie şi căldură, aceştia rămânând oricum radioactivi, atunci la fuziune atomi sunt contopiţi la temperatură mare, masa atomului nou obţinut fiind mai mică decât sumele celor doi anteriori, iar diferenţa emanându-se în energie şi căldură. Iar întrucât atomii folosiţi la fuziune sunt de obicei hidrogenul şi izotopi ai lui, la final rămân substanţe inofensive din punct de vedere a radioactivităţii.

Fuziunea a fost atinsă de oamenii de ştiinţă, însă deocamdată pe perioade scurte. În ultimii doi ani, evoluţia fuziunii nucleare a fost galopantă, cu noi şi noi realizări, cu recorduri la durata reacţiilor, la temperaturile atinse şi chiar la energia generată, fiind documentate deja şi multiple generări de mai multă energie decât a fost consumată pentru reacţia care trebuie să aibă loc la peste 100 milioane grade Celsius. Majoritatea acestor reacţii au loc în reactoare toroidale, numite şi tokamak, dar există şi reacţii cu succes în reactoare cilindrice. În ultimul an, apropo, a fost inaugurat cel mai mare reactor tokamak în Japonia, pentru a permite oamenilor de ştiinţă experimente multiple mult mai frecvente şi a ajunge la stabilizarea permanentă a reacţii. Între timp, un reactor şi mai mare e construit în Franţa, toate aceste reactoare luând mulţi ani în construcţie şi investiţii de miliarde.

Foto: Noul reactor tokamak JT-60SA din Japonia

Investiţiile sunt justificate, însă, pentru că atunci când se va ajunge la stăpânirea tehnologiei, cu doar câteva kilograme de hidrogen pe zi se va putea asigura cu energie o întreagă ţară de mărimea României, după cum indicam în calculele primului reactor proiectat să intre în producţie către anul 2030 şi să ajungă în centrale electrice reale.

Foto: Reactorul Copernicus, proiectat să ajungă în centrale electrice

Doar că descoperirea de acum a oamenilor de ştiinţă din SUA dă o perspectivă nouă oarecum şocantă, că o tehnologie atât de sofisticată precum un reactor tokamak poate fi replicată cu piese de garaj, practic. Bine, nu sunt neapărat piese de garaj, dar sunt componente mult mai ieftine şi mai răspândite, care reduc foarte mult complexitatea.

Diferenţa e că reactoarele tokamak trimit curenţi puternici şi spre plasma din interior, apoi e nevoie de putere mult mai mare a magneţilor exteriori pentru a stăpâni aceşti curenţi. Reactorul de acum nu trimite asemenea curenţi puternici spre plasmă, ci face uz doar de magneţii exteriori de o curbură specială, amplasaţi astfel încât să se completeze reciproc circular şi astfel acesta ar putea menţine plasma şi cu câmpul magnetic mai slab al magneţilor permanenţi, iar consumul total de energie ar fi de asemenea mult mai mic.

Foto: Fuziunea într-un reactor tokamak

Totuşi, reacţia de fuziune are nevoie de cei minim 100, dar e preferabil să aibă 150-200 milioane rade Celsius pentru a avea loc, deci tot e nevoie de energie pentru a genera acea temperatură în interior şi a o menţine. Autorii noului reactor spune că reactoarele tokamak menţin temperatura plasmei mult mai bine în interior, datorită acelui curent trimis direct în ea, în timp ce reactorul lor ar reuşi deocamdată s-o facă pe timp mai scurt, iar plasma se răceşte mai repede şi reacţia de fuziune sfârşeşte. Totuşi, în acel răstimp menţinerea reacţiei în formă stabilă spaţial e în mod neaşteptat comparabilă sau chiar mai bună la acest reactor, deşi are loc practic pasiv.

Deci cheia ar fi ca această plasmă să poată fi menţinută la temperatură mare printr-o stabilizare a reacţiei atât de bune, încât ea să se autoîntreţină, practic. Şi fizicienii autori ai reactorului de acum sunt convinşi că pot obţine asta doar prin perfecţionarea creaţiei lor, prin poziţionarea corectă a magneţilor, care aceştia să susţină cu precizie fluxurile reale, aşa cum au loc ele în timpul reacţiilor. Aceştia au publicat şi imagini cu interior stellarator-ului lor, care are un adevărat mozaic de magneţi mici şi pătraţi, care amintesc de magneţii de frigider.

Aceştia lucrează deja la o amplasare avansată a acestor magneţi permanenţi pentru a putea face experimente complete în viitorul apropiat. Partea şi mai senzaţională este că ideea folosită aici datează încă de la sfârşitul anilor ’50 ai secolului trecut, din acelaşi laborator. Atunci se experimentase cu construcţia de stellarator şi de acolo vine şi denumirea. Oamenii de ştiinţă, conduşi pe atunci de Lyman Spitzer, considerau că un stellarator are un avantaj imens prin faptul că nu trimite curenţi direct în plasmă, iar aceştia nu devin atât de mari şi instabili ca la un tokamak, ceea ce înseamnă că o construcţie corectă poate controla la nesfârşit reacţia, menţinând-o stabilă. Pe atunci exista ideea că într-o zi s-ar putea folosi magneţi permanenţi, dar nu existau magneţi suficient de puternici. S-a încercat cu construcţii cu magneţi electrici, dar aceştia au fost practic imposibil de construit la forma şi precizia dorită, din cauză bobinărilor mari necesare pe atunci, iar în cele din urmă, deşi proiectul era promiţător, fusese calificat ca un design marginal şi fără perspectivă şi a fost descalificat de la finanţări şi cercetări ulterioare.

Foto: Lyman Spitzer, şi primul stellarator construit la acel laborator, la sfârşitul anilor 50

Acum echipa de fizicieni a preluat acele descoperiri de atunci şi ce s-a mai studiat între timp şi au descoperit că în esenţă, cheia ar fi să se reuşească obţinerea efectului de cvasi simetrie, care n-a putut fi atins atunci. Toată construcţia, deşi pare simplistă şi neregulată, trebuie să respecte principiul de cvasi simetrie pentru ca reacţia de fuziune să poată fi ţinută în lanţ cu asemenea magneţi, ceea ce ar însemna că toţi magneţii trebuie poziţionaţi la distanţe şi poziţii aparent diferite şi haotice faţă de structura generală, însă la distanţe simetrice faţă de valurile de flux magnetic care circulă în interior. Cea mai apropiată analogie ar fi un colector la un motor de ardere internă, care poate avea ţevi încrucişate, dar ele de fapt sunt făcute aşa pentru a avea lungime egală între ele, deşi pornesc din puncte diferite. Cam asta se întâmplă şi cu acest puzzle de magneţi permanenţi ai noului reactor.

În următoarele luni, vor avea loc experimente repetate ale acestei echipe de ingineri cu noua lor creaţie. Şi dacă aceştia vor reuşi acum să declanşeze şi să menţină practic la infinit sau cel puţin pe o durată de câteva zeci de minute reacţia de fuziune, doar cu magneţi permanenţi, asta va fi una din cele mai mari realizări în domeniul fuziunii nucleare din ultimii ani. Pentru că asta ar deschide imediat calea unor abordări mult mai simple şi mai ieftine în crearea de viitoare reactoare şi centrale şi ar propulsa rapid tehnologia fuziunii într-un de normalitate curentă în viaţa noastră.