O echipă de ingineri germani a dezvoltat un nou reactor de fuziune nucleară cu cicluri de injecţie de combustibil şi aprindere, similare motoarelor cu combustie

În ultimii ani, domeniul fuziunii nucleare a evoluat cu paşi rapizi şi definitorii, ajungându-se şi la experimente documentate de producţie netă de energie, dar şi la maturizarea multiplelor concepte şi tehnologii de a atinge fuziunea. Noi am relatat o mare parte din aceste evoluţii şi foarte multe echipe de ingineri şi companii bine finanţate sunt deja la o etapă în care au demarat şi construcţia unor centrale nucleare viitoare, cu reactoare concepute, deşi aceste reactoare încă n-au ajuns la stabilitatea de facto a reacţiei de fuziune. Prin urmare, se atestă un oarecare paradox, când centralele sunt construite înainte de avea reactoarele ce şi-ar fi demonstrat viabilitatea deplină şi scalarea economică. Dar concurenţa e atât de mare, şi miza pentru cei ce vor fi primii e atât de uriaşă, încât aceste companii vor să nu piardă timpul şi, cât fac perfecţionările pe care le anunţă drept finale la reactoare, ei îşi pregătesc şi centralele. Şi tehnologiile acestor reactoare sunt multiple — de la reactoare tokamak în formulă mai clasică, până la reactoare stellarator, lasere concentrate sau cicluri de comprimare. Ei bine, de curând o echipă de ingineri germani, de la un startup numit Focused Energy, a dezvoltat un nou reactor de fuziune nucleară, cu cicluri de injecţie de combustibil şi aprindere, similare motoarelor cu combustie, şi a primit o sumă record de 240 milioane de dolari în runda A de investiţii, pentru a construi un reactor nuclear viabil şi o centrală nucleară.

Germania e poate ţara cea mai activă din Europa în domeniul fuziunii nucleare, investind enorm în susţinerea echipelor de ingineri care dezvoltă tehnologii promiţătoare în acest domeniu. Investiţiile s-au intensificat după ce compania germană Marvel Fusion, fondată în Munchen în 2019, a migrat în SUA cu toate operaţiunile sale esenţiale şi sediul principal de activitate, pentru a putea aduna mai repede investiţii şi a putea progresa acolo. Germania şi Europa au înţeles atunci că trebuie să ofere mai mult suport şi condiţii favorabile acestui domeniu, dacă vor să aibă o şansă de a inova în fuziune nucleară.

Iar fuziunea nucleară, amintim, e proces similar reacţiilor pe stelele din spaţiu, când atomii se contopesc în atomi noi, mai uşori decât suma greutăţilor anterioare, iar diferenţa de masă fiind eliberată sub formă de energie. Produsele rezultatele sunt inofensive din punct de vedere al radioactivităţii, iar randamentul reacţiei ar trebui să fie teoretic mai mare, cu condiţia că acea reacţie poate fi stăpânită la temperatura uriaşă, de 100-200 milioane de grade Celsius, la care are loc reacţia de fuziune. Cu câteva kilograme de combustibil, teoretic, s-ar putea produce electricitate pentru o ţară mică întreagă, în decursul unui an, fără deşeuri radioactive şi cu obţinerea efectivă a unei energii din belşug la final.

În Germania, Institutul de Fizică a Plasmei Max Planck a creat şi un stellarator uriaş pentru testare, susţinând inovaţia, iar astfel a luat naştere compania germană Proxima Fusion, cu un reactor de o formă complexă ce aminteşte de cifra 8, care a demonstrat deja operări stabile pe durata a mai multe minute şi a trecut de etape importante de validare. Asta a făcut ca şi compania germană RWE, un operator energetic multilateral, să semneze un acord cu Proxima Fusion, alocându-le fosta centrală nucleară Gundremmingen pentru a construi acolo viitoarea centrală cu fuziune nucleară a Proxima Fusion, folosind infrastructura electrică deja existentă.

Compania germană despre care vorbim azi, Focused Energy, a primit un suport şi mai mare de RWE, care a investit în ei într-o fază incipientă. RWE a participat şi la runda de finanţare A de acum şi a investi 60 de milioane de euro din cele 240 milioane de dolari adunate acum, un semn clar că un operator energetic cu mare experienţă şi cu un mare simţ al realităţii a validat perspectivele noii tehnologii. Mai mult ca atât, RWE a alocat şi pentru acest startup o fostă centrală nucleară, la Biblis, unde ar urma să fie construit reactorul ce ar implementa noua tehnologie. Practic, acum ambele companii germane au susţinerea RWE şi ambele tind să aibă prima centrală operaţională de fuziune nucleară din lume.

Bineînţeles, marea curiozitate vine atunci când ne întrebăm cum funcţionează noul reactor al celor de la Focused Energy. Ca punct de start, aici avem un principiu similar cu tipul de reacţie care a demonstrat surplusuri de energie în 2023, la institutul Lawrence Livermore din UA, prin multiple surse de laser care sunt direcţionate spre combustibilul de fuziune nucleară. Doar că la tehnologia laser americană şi altele similare, laserele încălzesc o cavitate în care se află combustibilul, iar acel combustibil ajunge la fuziune nuclear printr-o acţiune indirectă a acestor fascicule concentrate.

Tehnologia celor de la Focused Energy, însă, a aplicat o parte din principiile motorului cu ardere internă, în care inginerii germani au fost atât de buni de la începuturile lui. În locul cilindrului obişnuit dintr-un motor cu combustie, aici există o sferă, care formează mediul de combustie, iar într-o pate şi alta a sferei sunt poziţionate multiple surse de generare a laserului, grupate şi concentrate să ducă spre sfera centrală.

Germanii s-au gândit că ar fi mult mai eficient ca în reactorul lor combustibilul să fie expus direct razelor laser, fără un mediu intermediar. Iar aceste raze directe i-ar asigura startul fuziunii nucleare cu randament mult mai mare.

Astfel, ei au gândit un sistem de injecţie a combustibilului în sfera unde va avea loc aprinderea şi generarea fuziunii. Totul trebuie să funcţioneze într-un ciclu similar motoarelor cu ardere internă, unde combustibilul e injectat în sferă, apoi toate lasere îşi eliberează fasciculele concentrate spre acest combustibil, provocându-i aprinderea şi declanşarea fuziunii.

Doar că inginerii germani au considerat că e mult mai eficient ca acest combustibil de fuziune să fie produs sub forma unei mici granule, în interiorul căreia să se afle deuteriu şi tritiu, doi izotopi ai hidrogenului, folosiţi des în fuziune nucleară.

Foto: Capsula de combustibil pentru reactorul celor de la Focused Energy

Deuteriul e un izotop stabil al hidrogenului, fiind numit deseori şi hidrogen greu şi, spre deosebire de hidrogenul obişnuit, care are doar un proton, deuteriu are un proton şi un neutron. Tritiul, însă, e un izotop radioactiv instabil al hidrogenului, într-atât de instabil încât practica arată că e mai logic să se organizeze producţia de tritiu direct lângă reactor, decât să se caute în formă naturală sau să genereze în altă parte.

La contopirea celor doi atomi de deuteriu şi tritiu, se formează heliul, cu un neutron rapid de 14,1 MeV, şi 17,6 MeV energie totală. Circa 20% din această energie rămâne în elementul de heliu nou format, în timp ce 80% din energie pleacă în neutron şi constituie acea energie ideală ce ar trebui captată în urma fuziunii nucleare. În viaţa reală, o parte mică din aceşti neutroni vor participa la generarea de tritiu nou, care să susţină următoarele cicluri de reacţii.

Reactorul germanilor presupune, deci, şi o mică „fabrică” auxiliară de tritiu, capsulele fiind produse cu puţin timp înainte de injectarea lor în sferă. O capsulă are circa 1-3 mm diametru, iar la fiecare ciclu de prindere şi fuziune, e injectată o asemenea capsulă. Lasere o lovesc direct şi în centrul ei e generează o micro explozie termonucleară, cu temperaturi de peste 100 milioane grade Celsius şi fuziune declanşată. Capsula e vaporizată complet, iar energia fuziunii e eliberată sub formă de căldură imensă şi concentrată.

Această căldură e captată de stratul exterior al sferei, care conţine un circuit termic, cu litiu lichid, beriliu şi fluorură de litiu, ca agent termic. Acest amestec circulă într-un sistem care încălzeşte un amestec de abur şi dioxid de carbon supercritic, care pune în mişcare la rândul său o turbină cu abur pentru a produce electricitatea, această ultimă parte fiind foarte similară cu cea de la centralele actuale nucleare.

Inginerii germani au proiectat reactorul lor cu o frecvenţă de 10 capsule injectate pe secundă şi tot atâtea evenimente de aprindere şi declanşare a fuziunii. Aceşti ingineri spun că ei ţintesc un cost de producţie a unei capsule de sub 1 dolar, ceea ce a însemna că un asemenea reactor ar consuma 10 dolari pe secundă, 36.000 dolari pe oră şi 315,36 milioane de dolari pe an. Dacă e să transformăm în euro, asta ar însemna 270,5 milioane euro anual necesare în combustibil.

Inginerii germani nu confirmă încă parametrii lor sigur, dac spun că estimează că un asemenea reactor cu 10 evenimente de fuziune pe secundă va produce 750 MW de electricitate netă, cu toate pierderile luate în calcul. La un factor de capacitate de 100%, asta ar însemna o producţie anuală de 6,57 TWh de electricitate, ceea ce la preţurile din Germania, înseamnă cam 591,3 milioane de euro în preţul de piaţă al electricităţi produse.

Nu e tocmai energia aia din belşug, super ieftină, dar calculul de mai sus apropie tehnologia de o viabilitate economică. Totuşi, trebuie să înţelegem că cei 270,5 milioane de euro sunt doar costurile de combustibil, iar o centrală mai are nevoie de costuri de salarizare, mentenanţă a altor sistem şi rambursare de capital iniţial, astfel încât cifra iniţială reală ar putea însemna costuri de producţie mai mare decât preţul de piaţă. Însă asta e doar iniţial. Dacă tehnologia e pusă la punct şi scalată, şi se ajunge apoi la un cost de 10-20 cenţi per capsulă, atunci profitabilitatea se schimbă enorm de mult.

Oricum cei de la RWE din Germania par să aibă încredere enormă că această tehnologie de fuziune nucleară are poate cel mai realist potenţial de a fi implementată repede, cu un reactor capabil să replice milioane de evenimente de fuziune succesiv, care ar permite operarea unei centrale cât se poate de realiste. Iar dacă asta se întâmplă, atunci Europa ar avea parte de unul din rarele salturi tehnologice de importanţă revoluţionară globală, devenind un lider într-un domeniu în care toarte marile centre de inovaţii de pe glob vor să fie primele.