(VIDEO) O echipă de fizicieni din SUA au elaborat o metodă nouă, pe bază de litiu lichid, de stabilizare a reactoarelor de fuziune nucleară

În ultimii doi ani, progresele realizate de oamenii de ştiinţă în domeniul fuziunii nucleare sunt mai mari decât fuseseră pe parcursul a mai multor decenii anterioare. Încă mai există provocări de depăşit la stabilizarea reacţiei pentru a stăpâni această tehnologie ce ar permite producţia cantităţilor uriaşe de energie, dar omenirea a reuşit în ultimii doi ani să genereze repetat reacţii de fuziune documentate ca producând mai multă energie decât s-a consumat şi să stabilizeze pe perioade tot mai lungi aceste reacţii. A fost lansat un nou reactor tokamak în Japonia pentru ca oamenii de ştiinţă să-şi poată accelera ultimele experimente, iar între timp există deja planuri ca la începutul anilor 2030 să fie deja produse primele reactoare de fuziune din lume. Iar pe partea de stabilizare a reacţiei de fuziune, acolo unde trebuie să se realizeze ultimul salt necesar, continuă să vină idei şi elaborări noi. Acum fizicienii de la Laboratorului de Fizică a Plasmei Princeton din SUA au anunţat că au elaborat o nouă metodă, pe bază de litiu lichid, de stabilizare a reactoare de fuziune nucleară.

Laboratorul despre care vorbim azi, abreviat drept PPPL, e cel unde a început studiul fuziunii nucleare încă în 1951, la scurt timp după ce omenirea elaborase fisiunea nucleară, care a stat la baza primelor deflagraţii atomice şi apoi la baza primelor centrale nuclear. Încă de pe atunci fizicienii şi-au pus întrebarea ce s-ar întâmpla dacă atomii nu s-ar sparge pentru dezintegrare ca al fisiune, ci s-ar contopi în particule mai mici decât suma maselor iniţiale, diferenţa fiind eliminată prin energie. Aşa a început să fie studiată fuziunea, o reacţie care e similară celei produse pe soare şi care nu lasă la final material radioactiv, iar randamentul ar putea fi teoretic şi mai mare decât la reacţiile de fisiune, folosite azi la centralele nucleare din toată lumea.

Aşadar, laboratorul PPPL şi-a început activitatea în 1951 cu numele cod Project Matterhorn, sub conducerea Profesorului american Lyman Spitzer şi a fost locul unde s-au realizat multe avansări în studiul fuziunii nucleare de-a lungul timpului. Laboratorul e deţinut de Departamentul de Energie al SUA, dar e administrat de Universitatea Princeton, una din cele mai bune din lume. Acum o echipă de fizicieni condusă de Egemen Kolemen şi Francisco Saenz au anunţat elaborarea noii metode de stabilizare a reacţiei prin litiu lichid.

Foto: Francisco Saenz, unul din cei care au elaborat noua metodă

Reacţia de fuziune nucleară are nevoie de minim 100 milioane grade Celsius pentru a se produce pe baza izotopilor de hidrogen, de obicei, şi a stării de plasmă a acestora. Temperatura preferabilă e de 150 milioane de grade, pentru un randament maxim. Însă reacţia de fuziune e foarte greu de menţinut stabil din cauza câtorva efecte greu de gestionat simultan — câmpurile magnetice care trebuie menţinute concentrate, de obicei pe traiectorii circulare, inelare, dar şi temperatura plasmei.

Plasma riscă în acelaşi timp şi să se răcească prea repede, şi să se supraîncălzirea, într-un soi de paradox al fizicii, dar care e unul explicabil. Atomii noi, care se formează pierzând masă şi energie sunt mult mai puţini fierbinţi şi pot răci plasma de alături, oprind fuziunea. În acelaşi timp, plasma riscă să se autoalimenteze şi să ajungă la temperaturi prea mari, care pot deteriora reactorul, iar omenirea încă n-a inventat reactoare şi materiale care reziste la 200-300 milioane grade Celsius şi mai mult. Deci cheia fuziunii e în arta fină a jonglării cu această temperatură a plasmei, menţinând-o în jurul a 140-150 milioane grade Celsius, şi o artă similar de fină şi complicată de stăpânire a câmpului magnetic.

Pentru stăpânirea câmpului magnetic, anul trecut o altă echipă venise cu o idee genială de foosire a undelor Alfven, care creează un soi de „gard” inelar în jur, în mod natural, şi menţin câmpul magnetic în interior după un principiu similar ecranării unor conductori. Şi, apropo, acea echipă de fizicieni era de la acelaşi laborator Princeton, ceea ce înseamnă că şi cheia stabilizării temperaturii, şi cea a câmpului magnetic la fuziune, ar putea fi elaborată în acelaşi loc, de echipe care să colaboreze şi să-şi împărtăşească descoperirile.

Pentru menţinerea temperaturii, echipa de acum de la Princeton a elaborat un sistem de răcire a reactoarelor de fuziune prin litiu lichid. Acest litiu e situat într-un soi de etaj inferior separat printr-un soi de grilă circulară, de camera interioară principală a reactorului de fuziune. Iar litiul lichid ar circula în stare lichidă, pe care el o poată păstra până la doar 1.342 grade Celsius, din partea inferioară, de sub grilă, ajungând doar tangenţial în zona activă a fuziunii. Litiul lichid e acţionat prin inducerea de curent electric, care creează o mişcare puternică a lui, iar astfel litiul se dovedeşte a fi un captator excelent de stabil al căldurii, cu revenirea ulterioară a litiului la un nivel suficient de permite încât să nu permită răcirea reacţiei şi suficient de rece încât să evacueze căldura în exces, evitând supraîncălzirea.

Acel litiu circulant dintr-un asemenea reactor ar fi, astfel, un soi de stabilizator extraordinar la asemenea temperaturi uriaşe care ar asigura un soi de sistem cu răcire prin lichid al reactorului, care să menţină reacţia de fuziune în variaţii minime.

Cei de la PPPL spun că oamenii de ştiinţă au încercat anterior răciri cu metal, însă o funcţionare mai lungă ducea şi la supraîncălzirea metalului lichid, care ajungea să fiarbă şi să se evaporeze astfel, sistemul nefiind foarte stabil. Aplicarea litiului într-un asemenea mecanism de răcire e folosită pentru prima dată şi primele calcule, simulări virtuale şi experimente arată că soluţia funcţionează.

Foto: Aşa ar atăta grila inferioară prin care ar circula litiul pentru răcirea reacţiei de fuziune

Acum, la etapa de experimente la temperatura camerei, echipa de fizicieni foloseşte galinstan, un compus din galiu, indiu şi staniu, pentru că scalând totul la temperaturile noastre uzuale, acesta e materialul care are o stare lichidă similară cu litiu în condiţii de fuziune, iar întreg procesul termodinamic e replicat cu fidelitate.

De aici încolo urmează şi pregătiri pentru eventuale teste cu plasmă şi fuziune, iar soluţia lor are toată şansele să rezolve sau cel puţin să ajute mult la rezolvarea provocărilor de stăpânire a reacţiei de fuziune pe partea de temperatură.

Pentru că miza e inimaginabil de mare şi ar putea schimba complet lumea. În funcţie de construcţia exactă a laboratorului, cam 10% din energie produsă de fuziunea nucleară ar fi cheltuită pentru susţinerea reacţiei, iar 90% ar fi disponibile pentru recoltare şi folosire utilă. Calculele actuale arată că prin fuziune nucleară, toată electricitate necesară României timp de o zi, deci cam 140-150 GWh, ar putea fi produse din doar 2 kg de hidrogen, pentru producţia regenerabilă a căruia e nevoie de 120 kWh. Pentru a produce toată electricitatea necesară Moldovei timp de o zi sunt suficiente doar 150 grame de hidrogen. Consumul global de electricitate în lume e de circa 24.500 TWh anual, deci 24.500.000 GWh, iar pentru producţia acestei cantităţi de electricitate prin fuziune s-ar consuma doar 350.000 kg de hidrogen anual, deci mai puţin de 1.000 kg de hidrogen pe zi, pentru a asigura toată planeta cu electricitatea necesară. La această cifră mai putem adăuga încă 1.000 kg şi cu energia suplimentară omenirea ar putea produce diverse forme alternative care să înlocuiască şi energia termică sau să asigure combustibil de alternativă produşi din electricitate şi captări de CO2, eliminând astfel cu totul emisiile suplimentare.

Vezi mai jos un scurt video publicat de cei de la Princeton în care vorbesc despre fuziunea nucleară şi laboratorul lor.