Cărbuni. Gaze naturale. Petrol. Hidrocentrale. Centrale nucleare. Turbine eoliene. Panouri fotovoltaice. Iată o enumerare a celor mai cunoscute surse pe care le folosește omenirea în prezent pentru producția de energie electrică. Unele dintre ele sunt poluante și epuizabile. Altele nu produc emisii de substanțe nocive în atmosferă în timpul utilizării, însă sunt costisitoare sau pot fi utilizate doar în anumite condiții stricte de siguranță. În plus, indiferent de origine, există numeroase temeri că producția de energie electrică nu va fi suficientă pentru acoperirea tuturor consumatorilor, mai ales într-o perioadă în care în special Europa încearcă să facă tranziția de la mașinile cu motoare termice la mașini electrice.
Practic, nicio sursă de energie electrică folosită în prezent nu este perfectă din punct de vedere al eficienței energetice, emisiilor de substanțe nocive din timpul utilizării sau a costurilor de producție.
Există însă oare o astfel de sursă de energie electrică perfectă, fie ea și teoretică? Oamenii de știință spun că există și își bazează această afirmație pe modul în care s-a format Soarele, steaua din sistemul nostru solar. De fapt, își bazează afirmația pe modul în care se formează orice stea din Univers. Adică pe procesul de fuziune nucleară.
Primele cercetări despre fuziunea nucleară
În 1905, Albert Einstein a publicat în jurnalul Annalen der Physik o lucrare în care a explicat relația dintre energie și masă sub forma unei ecuații care a rămas celebră:
E = mc2
Ecuația simbolizează faptul că energia este egală cu produsul dintre masă și viteza luminii la pătrat. În condițiile în care viteza luminii este de aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă, chiar dacă nu ai un doctorat în fizică este ușor de dedus că ecuația lui Einstein arată de fapt că o cantitate foarte mare de energie se poate produce chiar și cu o masă foarte mică.
În prima parte a secolului trecut, oamenii de știință au realizat că faimoasa ecuație a lui Einstein explică practic modul în care se formează stelele din Univers: într-un nor de praf stelar format preponderent din hidrogen și heliu încep să se producă numeroase coliziuni care generează apariția de plasmă și ioni. Plasma este o stare a materiei care poate fi considerată un gaz ionizat neutru din punct de vedere electric. La un moment dat, ionii fuzionează, fenomen care conduce la “aprinderea” unei mingi de foc și la transformarea acestora într-o stea, așa cum este și Soarele. Întregul proces generează o cantitate semnificativă de energie, care corespunde de fapt ecuației enunțate de Einstein ca produs între masa mică a ionilor și viteza mare a luminii.
În 1932, fizicianul britanic Patrick Blackett a fost primul cercetător care a încercat să reproducă în laborator procesul de fuziune nucleară care conduce la apariția stelelor. Al Doilea Război Mondial a generat un interes major din partea marilor puteri pentru dezvoltarea în secret a unor arme bazate pe principiul fuziunii nucleare, iar aceste cercetări realizate în special de Statele Unite ale Americii, Uniunea Sovietică și Marea Britanie au fost declasificate abia în 1958. Din acest punct, în principiu, cercetătorii din întreaga lume și-au unit eforturile cu scopul de a reproduce pe Pământ procesul de fuziune nucleară, de data aceasta în scopuri pașnice.
Astfel, misiunea durează deja de câteva decenii fără rezultate cu adevărat spectaculoase. De ce este atât de complicat? În primul rând din cauza condițiilor necesare pentru replicarea procesului de fuziune nucleară din stele. De exemplu, temperatura din nucleul Soarelui la care are loc procesul de fuziune nucleară este de circa 15 milioane de grade Celsius. Ca rezultat al acestui proces de fuziune, planeta noastră primește în mod continuu o cantitate de energie de 173.000 TW, de 10.000 de ori mai mare decât consumul total de energie electrică înregistrat pe Pământ. Acesta este și motivul pentru care cercetătorii consideră că fuziunea nucleară are potențialul de a ne asigura energie electrică în cantități nelimitate.
Prin urmare, pentru a replica procesul din Soare, cercetătorii folosesc plasmă cu un număr cât mai mare de ioni într-o regiune de mici dimensiuni cu scopul de a genera temperaturi de circa 100 de milioane de grade Celsius, mult mai mari decât cele din nucleul Soarelui.
În prezent, la nivel global se desfășoară mai multe experimente de amploare pentru a obține procesul de fuziune nucleară, cu diverse rezultate.
Primul experiment de fuziune nucleară cu câștig de energie
Pentru a obține procesul de fuziune nucleară, cercetătorii trebuie în primul rând să dezvolte o serie de echipamente complexe care să permită atingerea unor temperaturi de zeci de milioane de grade Celsius. Și, chiar dacă pare greu de crezut, atingerea unor astfel de temperaturi în laborator este posibilă cu tehnologia actuală.
Problema este că, pentru a atinge o astfel de temperatură, cercetătorii au nevoie de cantitate de energie electrică foarte ridicată. Din acest motiv, procesul de fuziune nucleară devine eficient energetic doar în momentul în care reacțiile de fuziune ajung într-un așa numit punct de aprindere, moment din care energia rezultată în urma reacțiilor de fuziune este atât de puternică încât permite susținerea temperaturilor de zeci de milioane de grade Celsius fără utilizarea surselor externe de energie electrică.
Există mai multe metode pentru a obține reacții de fuziune nucleară în laborator. Cercetătorii de la laboratorul Lawrence Livermore din cadrul instituției National Ignition Facility (NIF) din statul american California folosesc o metodă numită Inerțial Confinement Fusion (ICF). În principiu, această metodă presupune utilizarea unui reactor cu formă cilindrică în care este introdusă o capsulă cu combustibilul nuclear format din deuteriu și tritiu. Reactorul este încălzit cu ajutorul celui mai puternic sistem de lasere din lume, care dezvoltă o putere totală de 2,05 MJ (Mega Joule, unde Joule este unitatea de măsură a energiei în Sistemul Internațional, calculată ca produs între watt și secundă).
Pereții reactorului se încălzesc și transferă energia în interiorul capsulei sub formă de raze X. În acest moment, combustibilul din interiorul capsulei se comprimă puternic pentru perioade foarte scurte de timp, de ordinul nanosecundelor. Principalul avantaj al metodei este că atingerea unei temperaturi de 3 milioane de grade Celsius la nivelul pereților reactorului generează temperaturi de peste 100 de milioane de grade Celsius în capsula din interior, suficient de ridicate pentru procesul de fuziune nucleară.
Acest procedeu este încercat de ani de zile atât de cercetătorii de la NIF, cât și de francezii de la institutul Laser MegaJoule din Bordeaux. Totuși, abia în 5 decembrie 2022 cercetătorii de la NIF au reușit să atingă pentru prima oară punctul de aprindere al unei reacții de fuziune nucleară. Astfel, sistemul de lasere de 2,05 MJ a aprins combustibilul nuclear și a produs o cantitate de energie de 3,15 MJ, în cadrul unei reacții de fuziune nucleară care a durat o nanosecundă. Adică 0,000000001 secunde. Pentru prima oară în istorie, un experiment de fuziune nucleară a produs mai multă energie decât a consumat.
Experimentul realizat de cercetătorii de la NIF reprezintă un mare pas înainte în obținerea de energie electrică din fuziune nucleară, însă nu este nici pe departe suficient. Cel mai important obstacol este legat de echipamentele utilizate pentru realizarea acestui experiment. În primul rând, operarea sistemului de lasere de la NIF necesită o putere de 300 MJ, adică de aproape 100 de ori mai mare decât cantitatea de energie de 3,15 MJ care a fost obținută în urma experimentului.
În al doilea rând, sistemul de lasere utilizat nu poate fi transpus într-un reactor comercial de fuziune nucleară, ceea ce înseamnă că trebuie identificat un alt tip de echipament care poate da rezultate similare.
Reactoare Tokamak pentru fuziunea nucleară
Metoda de lucru a cercetătorilor de la NIF nu este însă singura care poate fi utilizată pentru a obține fuziunea nucleară. Cercetătorii din Asia și Europa folosesc în acest scop un tip de reactor experimental cunoscut sub numele de reactor Tokamak.
Teoria este destul de simplă: într-un astfel de reactor, energia produsă în urma fuziunii nucleare va fi absorbită în pereții reactorului sub formă de căldură. Ulterior, similar cu o centrală nucleară obișnuită, căldura va fi utilizată pentru a produce aburi și apoi energie electrică prin intermediul unor turbine și generatoare. Evident, singura problemă este obținerea procesului de fuziune nucleară, iar una dintre provocări este cum să menții plasma la o temperatură suficient de ridicată pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc, însă în același timp la o temperatură suficient de scăzută pentru ca pereții reactorului să nu se topească.
China folosește încă din anul 2006 un reactor de tip Tokamak cunoscut oficial sub numele pompos de Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) și promovat în presă drept “soarele artificial”.
În loc de laserele de la NIF, EAST se bazează pe magneți puternici plasați pe marginile interioare ale reactorului. Magneții generează câmpuri magnetice prin care combustibilul reprezentat de plasmă rămâne în mijlocul reactorului și generează astfel o căldură suficient de mare pentru a permite inițierea procesului de fuziune nucleară.
În ultimii ani, EAST a început să ofere rezultate din ce în ce mai bune. De exemplu, în 2017, EAST a ajuns la o temperatură de 50 de milioane de grade Celsius, pe care a păstrat-o pentru 101 secunde. În 2021, cercetătorii au reușit să mărească temperatura până la 120 de milioane de grade Celsius, însă nu au depășit pragul de 101 secunde. Cel mai recent, în 30 decembrie 2021, China a anunțat că reactorul EAST a reușit să mențină o temperatură de 70 de milioane de grade Celsius timp de 1056 de secunde, adică timp de peste 17 minute. Un record din punct de vedere al intervalului de timp în care s-a menținut o astfel de temperatură.
Pentru moment, China nu își propune să realizeze un experiment cu câștig net de energie, așa cum au făcut cercetătorii de la institutul american NIF. În schimb, obiectivul primar este atingerea și păstrarea pentru un interval de timp cât mai mare a unei temperaturi suficient de ridicate pentru inițierea procesului de fuziune nucleară. Strategia este complet diferită și, comparativ cu NIF, principalul avantaj al reactorului EAST este că tehnologia din spate poate fi transpusă rapid pentru utilizare într-un reactor comercial.
O tehnologie asemănătoare cu cea din China este dezvoltată și în Coreea de Sud, acolo unde cercetătorii au construit reactorul Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR).
Diferența este că, în locul câmpului magnetic, KSTAR folosește o presiune ridicată pentru ca plasma să rămână în mijlocul reactorului. Până în prezent, cel mai bun rezultat al experimentelor s-a înregistrat în septembrie 2022, când cercetătorii au înregistrat o temperatură de 100 de milioane de grade Celsius pentru 20 de secunde.
Cel mai mare și cel mai puternic reactor experimental de tip Tokamak este însă în Marea Britanie, la Oxford. Se numește Joint European Torus (JET) și a fost construit în 1983 de organizația European Atomic Energy Community (Euratom), din care fac parte toate statele membre ale Uniunii Europene plus Elveția și Marea Britanie.
La fel ca reactorul EAST dezvoltat de China, reactorul JET folosește magneți puternici plasați pe marginile interioare ale reactorului. Cea mai bună performanță a reactorului a fost înregistrată în februarie 2022, când cercetătorii au reușit să obțină 59 MJ de energie prin procesul de fuziune nucleară. Acesta este, de altfel, recordul de energie obținut până în prezent prin fuziune nucleară. Totuși, această cantitate de 59 MJ s-ar transforma în numai 4 MW de energie electrică prin utilizarea unei turbine cu aburi, ceea ce este infim raportat la energia consumată pentru obținerea acesteia.
Reactorul internațional ITER
Pe lângă aceste proiecte mai mult sau mai puțin naționale, comunitatea internațională de cercetători lucrează în prezent la construcția celui mai mare reactor de fuziune nucleară din lume. Se numește ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) și este o colaborare în cadrul căreia jumătate din fonduri sunt asigurate de Uniunea Europeană, iar cealaltă jumătate de alte 6 state: Statele Unite, China, Japonia, Coreea de Sud, India și Rusia.
Reactorul ITER este construit la Saint-Paul-lez-Durance, în sudul Franței, iar lucrările ar trebui finalizate în 2025. Totuși, reprezentanții ITER au anunțat în noiembrie 2022 că lucrările ar putea fi întârziate din cauza faptului că anumite componente esențiale ar trebui produse în Rusia, țară izolată politic de Europa și Statele Unite în urma războiului declanșat în Ucraina.
La finalizare, reactorul ITER va avea o masă totală de 23.000 de tone și un volum de plasmă de 840 de metri cubi. Teoretic, reactorul va putea atinge temperaturi de până la 150 de milioane de grade Celsius și va avea o putere maximă de 500 MW de energie electrică obținută prin fuziune nucleară.
Cercetătorii din comunitatea internațională speră ca noul reactor ITER să aducă progrese semnificative în procesul de fuziune nucleară. Totuși, aceștia rămân precauți cu privire la perioada de timp necesară pentru ca fuziunea nucleară să devină o sursă teoretic nelimitată de energie electrică din surse nepoluante.
Un lucru este cert: vor mai trece câteva decenii până când cercetătorii vor fi capabili să obțină energie electrică prin fuziune nucleară. Estimările anterioare erau de 50 – 60 de ani, însă pe baza progreselor recente înregistrate de Statele Unite și a perspectivelor pe care le oferă noul reactor ITER cercetătorii sunt încrezători acum că procesul de fuziune nucleară din Soare va putea fi replicat cu succes pe Pământ într-un interval de timp ceva mai scurt: 40 de ani sau poate chiar 30 de ani.
Iată un reportaj din timpul procesului de construcție pentru reactorul ITER:
Fuziunea nucleară și mașinile electrice
O astfel de tehnologie are potențialul de a rezolva și una dintre marile controverse din industria auto: va produce Europa suficientă energie electrică pentru a alimenta un parc auto european alcătuit în cea mai mare parte din mașini electrice?
Agenția Europeană pentru Mediu (EEA) a realizat în 2016 un studiu care analizează impactul creșterii ponderii mașinilor electrice în parcul auto european. Agenția a plecat de la un scenariu potrivit căruia 80% dintre mașinile care vor circula în Uniunea Europeană în anul 2050 vor fi electrice. Uniunea Europeană își propune să interzică vânzarea de mașini cu motoare termice în 2035, dar acest termen ar putea fi amânat la presiunea anumitor state europene, iar mașinile cu motoare termice vor continua să fie utilizate până la ieșirea naturală de pe piața după încheierea perioadei de utilizare. În acest context, scenariul propus de EEA pare unul realist, cu atât mai mult cu cât până atunci capacitatea de producție de energie electrică din surse precum panourile fotovoltaice și turbinele eoliene va crește semnificativ.
Citește despre proiectele de panouri fotovoltaice de 450 GW din China
Concluzia studiului este că 9,5% din consumul de energie electrică al Uniunii Europene din anul 2050 va fi utilizat pentru încărcarea mașinilor electrice, în creștere de la 5% în 2030 și de la numai 0,03% în anul 2014. În acest context, EEA estimează că Europa va avea nevoie în 2050 de o capacitate suplimentară de producție de 150 GW de energie electrică. Procentul exact diferă puternic de la un stat la altul, în special în funcție de predicțiile legate de numărul de mașini din fiecare stat, de la 25% în Luxemburg până la numai 3% în Bulgaria. Pentru România, EEA estimează că undeva la 5% din consumul total de energie electrică al țării din 2050 va fi folosit pentru încărcarea mașinilor electrice.
