Fizicienii chinezi au creat un nou tip de oţel, care rezistă la -250 grade Celsius, cu câmpuri magnetice şi presiune uriaşă, făcând încă un pas spre fuziunea nucleară

În ultimii ani am tot auzit despre evoluţii majore, realizate în calea stăpânirii complete a tehnologiei de fuziune nucleară — cea care ar oferi soluţia producţiei energiei din belşug, cu cantităţi minime de material şi cu lipsă de deşeurilor radioactive în rezultat. În ultimii ani, noi am publicat multiple articole despre aceste evoluţii majore în fuziunea nucleară, cu diverse tipuri explorate de construcţie a reactoarelor şi cu experimente reuşite şi repetate, documentate oficial, în care reactoarele au produs mai multă energie decât a fost nevoie pentru declanşarea reacţiei de fuziune. Dar toate aceste experimente au durat un timp limitat, încă nimeni din lume nereuşind să atingă un timp de funcţionare de măcar o singură zi a unui reactor de fuziune nucleară. Chiar dacă au fost anunţate construcţii de reactoare concepute să ajungă la maturitate la începutul anilor 2030, iar de curând a început şi construcţia primei centrale de fuziune nucleară în SUA, cu un reactor genial în teorie, dar încă neconfirmat în practică, toate aceste evoluţii încă n-au ajuns la reacţia complet stabilizată, pe termen lung, a fuziunii nucleare. În mod paradoxal, una din principalele piedici de a atinge asta e oţelul. Iar fizicienii chinezi anunţă acum elaborarea unui nou tip de oţel, numit CHSN01, capabil să reziste la temperaturi de sub -250 grade Celsius, câmpuri magnetice şi presiune uriaşă, făcând astfel încă un pas major spre fuziunea nucleară viabilă în viaţa reală.

Foto: Reactorul de fuziune nucleară BEST, construit în China

Ce legătură poate avea elaborarea unui oţel capabil să reziste la -250 grade Celsius cu fuziunea nucleară, care e o reacţie similară celei produse pe soare, la minim 150 milioane grade Celsius? Ei bine, explicaţia vine din construcţia reactoarelor toroidale actuale de fuziune nucleară, numite şi tokamak-uri.

Reactoarele nucleare de la centralele actuale de pe mapamond funcţionează cu reacţie de fisiune nucleară, unde atomii grei, de uraniu, sunt dispersaţi în atomi cu masă sumară mai mică, diferenţa fiind eliberată în energie. Doar că atomii care rămân după reacţie sunt tot radioactivi, iar astfel se formează deşeurile radioactive, care trebuie stocate pe mult timp în mod izolat şi sigur. Fuziunea e procesul exact invers, de fuzionare a atomilor într-unul nou, a cărui masă totală va fi mai mică decât suma celor anteriori, iar diferenţa de masă e eliberată în energie. Reacţia e identică celei prin care soare, dar şi de pe toate stelele cunoscute. Şi întrucât la fuziune sunt folosiţi atomi iniţiali ai izotopilor de hidrogen, transformarea lor nu e însoţită de emisii radioactive la nicio etapă, iar la final nu rămân deşeuri radioactive. Marea provocare e să se ajungă la starea în care atomii produc aceste coliziuni, or, pentru ca asta să se întâmple, e nevoie de minim 150 milioane de grade Celsius. Doar atunci de formează plasma necesară şi reacţia de fuziune e declanşată.

Foto: Ilustrare grafică a plasmei într-un reactor de fuziune nucleară

Doar că această plasmă şi aceşti atomi în plină reacţie trebuie menţinuţi cât mai stabil, într-un mediu suspendat în spaţiu, deşi atomii sunt în mişcare. De multe ori spuneam că tocmai menţinerea acestui mediu în stare controlată constituie marea provocare în calea adoptării pe larg a fuziunii. Dar cum se întâmplă, de facto, menţinerea plasmei într-un mediu circular controlat într-un reactor tokamak?

Cu ajutorul câmpului magnetic. Şi e nevoie de magneţi cu superconductivitate pentru a face asta. Miezul reactorului, în zona plasmei, atinge temperaturile de 150 milioane de grade Celsius, iar pereţii acelei zone sunt răciţi activ, fiind oricum foarte fierbinţi. Apoi, spre exterior urmează vana vacuum, care înconjoară plasma, mediul vacuum oferind o izolare termică, pentru a nu transmite căldura mai departe. Apoi urmează camera criogenică, unde, tot în mediu vacuum, sunt amplasaţi magneţii cu superconductivitate. Superconductivitatea criogenică poate fi atinsă doar la temperaturi de -269 grade Celsius şi mai jos până spre -273, care e zero absolut în unităţi Kelvin. La acea temperatură dispare rezistenţa electrică a materialelor şi astfel orice sarcină electrică circulă fără a întâmpina vreo rezistenţă, diferenţa fiind absolut uriaşă faţă de proprietăţile de rezistenţă ale aceluiaşi material la temperatura camerei.

Foto: Construcţia schematică a reactorului de fuziune nucleară ITER din Franţa

Astfel, reactoarele tokamak de fuziune nucleară trebuie să funcţioneze combinând două regimuri extreme de temperaturi — cele de +150 grade Celsius, similare soarelui, în miezul lor şi cele de zero absolut fizic, sau de -269 spre -273 grade Celsius, pentru structurile din exterior, pentru a putea asigura câmpul magnetic necesar pentru a stăpâni plasma.

Foto: Ilustrare simplificată a unui reactor tokamak

Ei bine, tocmai avantajul că metalele îşi schimbă proprietăţile la zero absolut şi datorită acestui fapt apare superconductivitatea, devine şi vulnerabilitatea în a putea asigura o structură suficient de rezistentă pentru corpul reactorului. Pentru că, dacă acea cameră vacuum criogenică e construită din pereţi de oţel — la -269 grade Celsius oţelul îşi pierde drastic legăturile moleculare, în special între carbonul din componenţa sa, şi devine extrem de susceptibil de a forma crăpături şi a se dezintegra. Tocmai de asta, în reactoarele actuale experimentale nu se foloseşte oţel obişnuit, ci în aliaje mai avansate, numite 304, 316L sau 316LN, ultimele două având mai puţin carbon în ele, iar 316LN având şi azot adăugat. Aceste aliaje sunt calificate drept oţel inoxidabil 304, 316L, 316LN, dar au în ele proporţii foarte bine calculate de crom, nichel, mangan, iar 316 în ambele ipostaze are şi molibden. Aliajul 316LN e cel mai preferat la reactoarele tokamak experimentale actuale, întrucât molibdenul îi dă o rezistenţă sporită la temperaturi criogenice, iar datorită proporţiei atent estimate, aliajul nu e la fel de susceptibil să cedeze la temperaturi de zero absolut din reactoarele de fuziune nucleară. Tot el e folosit şi în alte aplicaţii criogenice, precum acceleratorul de particule de la CERN.

Ei bine, acest aliaj e cumva cel mai bun pe care-l are omenirea pentru a-i garanta o rezistenţă maxim posibilă la temperaturi criogenice. Însă, dacă la CERN acesta rezistă excelent, pentru că acolo magneţii funcţionează la temperaturi criogenice, însă nu au de înfruntat presiunea structurală imensă a camerelor din interiorul unui reactor de fuziune nucleară, atunci în reactoarele tokamak materialul nu asigură rezistenţa absolută, dorită pe termen lung.

În timpul reacţiei de fuziune, există neutroni rapizi care pătrund adânc în structura materialelor din care e făcut reactorul, iar aceştia ajung să genereze dislocări de atomi în structura materialelor, având loc astfel iradierea cu neutroni. Cel mai mult are de suferit nichelul din compoziţia aliajelor folosite în prezent. Nu e o iradiere clasică, rezultată de la contaminare cu vreun combustibil radioactiv, dar face ca o parte din atomii din componenţa aliajului clasic să devină radioactivi în rezultatul acestor pierderi pe care le suferă. Iar asta înseamnă efecte radioactive nedorite, care n-ar trebui în principiu să existe în fuziunea nucleară, dar şi slăbirea structurală în timp. Iradierea era mai accentuată la aliajele 304 şi 316L, dar a fost redusă considerabil la 316LN. Însă nu a fost complet eliminată, pe termen lung efectul încă mai existând.

Iar această problemă e una din principalele piedici de ce reactoarele nucleare tokamak actuale nu pot susţine reacţii de fuziune nucleară de săptămâni, luni sau ani. Desigur, problema de bază e stabilizarea plasmei, doar că mulţi oameni de ştiinţă spun că dacă e rezolvată problema rezistenţei materialelor din care e construit reactorul, atunci magneţii cu superconductivitate vor putea opera mult mai stabil în asigurarea câmpului magnetic necesar stăpânirii plasmei pe lungă durată. Iar astfel toată evoluţia s-ar apropia de momentul controlării stabile a reacţiei de fuziune şi construcţia unor reactoare viabile şi stabile. Şi atunci se va putea ajunge la acel randament excepţional demonstrat prin calcule teoretice şi experimente practice, când întreaga electricitate necesară României, spre exemplu, pentru o întreagă zi, poate fi produsă prin fuziune din mai puţin de 2 kg de izotopi de hidrogen, sau hidrogen şi bor, necesari în rol de combustibil.

Şi aşa ajungem la realizarea inginerilor chinezi despre care vorbim azi. Ceea ce declară ei că au reuşit să creeze e un aliaj noi de oţel, numit CHSN01, care vine să înlocuiască aliajele folosite în prezent, având rezistenţă impecabile la temperaturile criogenice, câmpurilor magnetice uriaşe şi rezistând presiunii din reactor. Mai mult ca atât, structura sa ar rezista şi iradierilor prin neutroni.

Noua inovaţie i se datorează mai ales unui fizician geniu din China, Zhao Zhongxian, care munceşte de aproape un deceniu alături de echipa sa la găsirea structurii perfecte. Despre încercările sale se ştia în mediul oamenilor de ştiinţă, doar că majoritatea comunităţii a declarat că e imposibil să se găsească ceva mai rezistent decât aliajele actuale, din cauza problemelor de mai sus.

Foto: Zhao Zhongxian, fizicianul geniu din China, care a reuşit ceea ce era considerat imposibil

Însă acum, noul aliaj a fost anunţat după lungi testări cu caracteristici impresionante. El poate rezista nu doar la temperaturi de până spre zero absolut, ci şi la presiune de 1,5 GPa şi câmpuri magnetice de până la 20 Tesla. Apropo, aliajele folosite în prezent sunt afectate şi de ciclitatea proceselor, fiecare ciclu de încălzire la temperatura de cameră şi răcire la temperaturi criogenice slăbindu-le structura. Noul aliaj chinezesc rezită la minim 60.000 cicluri, zic autorii lui, deci cu mult peste durata de viaţă intenţionată a reactoarelor viitoare.

Chinezii nu anunţă proporţiile exacte ale fiecărui component, dar au menţionat că au sporit cota azotului, special tratat în procesul formării aliajului, şi au redus considerabil nichelul, pentru a evita efectele menţionate mai sus. De asemenea, au adăugat vanadiu în două din etapele de formare a aliajului.

În rezultat, noul aliaj de oţel e cu 40% mai dur structural decât aliajul 316LN, cu iar rezistenţa sa impecabilă la mediul de fuziune nucleară şi criogenie face din el o inovaţie care poate fi una din cheile rămase pentru a ajunge la fuziunea nucleară stabilă şi operaţională, pe care şi-o doreşte atât de mult omenirea. Şi, pe lângă asta, noul aliaj va fi util peste tot unde există magneţi cu superconductivitate, de la utilaje medicale cu rezonanţă magnetică până la trenuri cu levitaţie magnetică. Aşadar, cu această inovaţie, China tocmai a făcut un pas imens spre stăpânirea completă a tehnologiei de fuziune nucleară, mai beneficiind şi de efecte adverse în alte industrii.