Fuziunea nucleară - sursa durabilă şi curată  de energie a viitorului (1)

Dr. Chim. Gheorghe Ioniţă

„Mulţi oameni privesc lucrurile aşa cum sunt şi se  întreabă, de ce? Eu privesc lucrurile aşa cum ar trebui să fie şi mă întreb, de ce nu? (John Fitzgerald Kenedy)                                               

Contextul energetic actual

Civilizaţia s-a dezvoltat pe măsură ce omenirea a fost capabilă să valorifice tot mai eficient diferitele surse de energie.  Este ştiut că energia nu poate fi creată sau distrusă ci numai transformată dintr-o forma în alta.  Deşi termenul de consum de energie este un termen deja clasic şi utilizat  în mod frecvent, în fapt, când  îl folosim, el exprimă  mai degrabă energia transformată  decât pe cea consumată. La fel de bine este ştiut că nicio tehnologie de conversie a energiei  nu este lipsită de riscuri, de dezavantaje  şi de producere a deşeurilor. În contextul actual, puternic „stigmatizat” de accidentele de la Cernobâl şi  Fukushima, utilizarea  energiei nucleare ramâne  un subiect  sensibil şi controversat. Contextul istoric a făcut ca primele aplicaţii ale energiei atomice să fie cele militare, care au generat moarte şi suferinţe prin bombele  lansate la Hiroshima şi Nagasaki. Au trecut ani buni până când  oamenii de ştiinţa,  într-un efort complementar şi conjugat cu al politicienilor au reusit să  convingă şi să pună energia nucleară în slujba umanităţii, pentru a contribui la progresul economic şi social. Stau mărturie în acest sens  multiplele aplicaţii paşnice ale  energeticii nucleare în medicină, agricultură, industrie.  Centralele nuclearo-electrice nu sunt bombe atomice. Programul lansat, dezvoltat  şi susţinut de către Agenţia Internaţională de Energie Atomică (AIEA), intitulat „Atomii pentru Pace”, precum şi programele naâionale nucleare,  dezvoltate în cele peste 30 de ţări din  lume,  stau mărturie în acest sens. În acelaşi timp, o anumită  secretomanie în informarea publicului, moştenită se pare din era aplicaţiilor militare, a făcut ca  energia nucleară să fie privită intru-câtva  ca „masoneria”, (daca este permisă o astfel de  comparaţie), respectiv credinţa ca ceva „neobisnuit publicului” se-ntamplă în spatele usilor închise.

Securitatea nucleară şi dezvoltarea durabilă

Energia nucleară? Sunt mulţi pentru, dar şi unii împotriva ei. De când a fost îmblânzită, energia  nucleară a constituit subiect de controverse şi dispute, care continuă şi astăzi. Dincolo de  pericolul real al proliferării armelor nucleare, dincolo de unele riscuri recunoscute, energia nucleara rămâne o formidabilă sursă de energie care pe lânga avantajele economice prezintă şi foarte mari  avantaje ecologice. Acest lucru este puţin cunoscut.  Câţi oameni ştiu cum funcţioneaza o centrală nucleară? Câţi oameni ştiu ca radioactivitatea a existat pretutindeni în natura, din timpuri imemoriale şi că noi  trăim şi  cu radiaţii (naturale sau artificale)?

Nicio sursă de energie nu este absolut sigură, nici chiar morile de vânt nu sunt lipsite de accidente. Nu întâmplător - pe masura acumulării experienţei - încă de la  exploatarea  primelor instalaţii nucleare s-a  elaborat şi dezvoltat conceptul de securitate nucleară. Securitatea nucleară reprezintă ansamblul dispoziţiilor tehnice şi al măsurilor organizatorice care trebuiesc luate pentru ca funcţionarea unei instalaţii nucleare să nu antreneze nicio consecinţă periculoasă pentru personalul de exploatare, pentru  sănătatea publică şi/sau pentru mediul înconjurător. În aceste condiţii, securitatea nucleară garantează ca:

- funcţionarea normală  a instalaţiilor nucleare nu implică nicio expunere excesivă la radiaţii ionizante asupra lucratorilor şi nicio împrăştiere excesivă a efluenţilor radioactivi;

- s-au luat toate măsurile  pentru prevenirea accidentelor şi respectiv pentru limitatrea consecinţelor acestora dacă cu toate masurile luate - accidentul totuşi s-a produs.

Poluarea atmosferei cu bioxid  de carbon şi alte gaze de seră nu are efecte imediate  directe, dar continuarea poluării va conduce la schimbări climatice ce vor deveni  vizibile  când va fi prea târziu pentru a mai putea lua măsuri eficiente. Ciuma bubonică din evul mediu a fost un pericol direct. A ucis 30 % din populaţia Europei, dar a constituit o ameninţare minoră pentru civilizaţie fără consecinţe ulterioare majore pentru planeta noastră. Arderea combustibililor fosili şi conversia sistemelor naturale în terenuri agricole nu sunt pericole imediate pentru oameni dar afecteaza lent şi  ireversibil capacitatea de autoreglare şi de menţinere a vieţii pe pămant. Prin urmare, nu numai găsirea surselor de energie inepuizabilă focalizează intregul efort al cercetării ştiinţifice, ci mai ales  găsirea unei surse de energie curată, prietenoasă faţă de om şi mediul înconjurător.

Este energia nucleară o sursa durabilă?

Răspunsul la aceasta intrebare se găseşte în următoarea întrebare: poate contribui energetica nucleară la acoperirea  nevoilor de energie ale societăţii  noastre, fără  a compromite şansa generaţiilor viitoare de a-şi acoperi propriile nevoi? Ca vechi truditor şi cercetator pe tărâmul  energeticii nucleare, am fost adesea frământat de aceste două întrebări, iar răspunsul argumentat nu poate fi decât DA! Dezvoltarea durabilă a fost definită, pentru prima dată, în raportul Brundtland, astfel: „Dezvoltarea care satisface cerinţele prezentului fără a compromite capacitatea generaţiilor viitoare de a-şi satisface propriile nevoi”. Dezvoltarea durabilă  trebuie privită mai degrabă ca direcţie a unui drum, decât ca destinaţie a acestuia. Prin  urmare, obiectivul imediat al dezvoltării durabile îl constituie poziţionarea pe direcţia corectă, pe parcurs putând interveni mai multe opţiuni sau compromisuri. Pornind de la convingerea că numai printr-o corectă informare şi prin  totala transparenţă se poate câştiga încrederea oamenilor în tehnologiile nucleare, prezentul articol îşi propune să aducă o modestă contribuţie la înţelegerea mecanismului şi a etapelor ce trebuiesc parcurse de la  atom la kilowat, pe calea fuziunii nucleare. Sper că în acest fel cititorul să poată judeca singur  şi obiectiv, dacă energia nucleară este şi poate deveni, şi în viitor, o alternativă durabilă  de producere a energiei electrice şi termice, atât de necesare dezvoltării armonioase şi independente a unei ţări.

Fisiunea şi fuziunea nucleară, surse durabile de energie

Dicţionarele definesc energia nucleară ca fiind energia eliberată prin reacţiile nucleare. Principalele reacţii nucleare prin care se genereaza energie ce poate fi exploatată la scară industrială sunt  fisiunea şi fuziunea nucleară. Fisiunea nucleară reprezintă procesul de fragmentare (fisionare) a atomului în două sau mai multe fragmente cu masa aproximativ egală, proces în urma căruia se  eliberează  o mare cantitate de energie şi 2-3 neutroni rapizi. Fisiunea se produce natural sau artificial atunci când  nucleul elementului fisionabil este bombardat cu neutroni. Când atomii sunt suficient de numeroşi  şi suficient de apropiaţi - aşa numita „masa critica” - neutronii produc fisiuni în lanţ şi reacţia se autointreţine putând deveni explozivă dacă nu se controlează prin alte mijloace. Despre aspectele şi despre dezvoltarea procesului de producere a energiei electrice şi termice prin procesul de fisiune, de la  începuturi până la atingerea stadiului actual, când  în lume sunt peste 454 de reactoare nucleare în operare (18 % din totalul  producţiei mondiale de energie), vom vorbi în cadrul unui viitor articol. Consider însă că opţiunea  pe termen lung a energeticii nucleare o constituie fuziunea termonucleară, aceasta reprezentând procesul prin care nucleele a doi atomi uşori se combină (fuzionează) pentru a forma un atom mai greu. Ca şi în cazul fisiunii procesul este însoţit de eliberarea unei imense cantităţi de energie (de trei ori  mai mare decât în cazul fisiunii), dar el necesită temperaturi uriaşe, similare celor din interiorul stelelor. În centrul Soarelui, presiunea gravitaţională având o valoare imensă, permite desfăşurarea procesului de fuziune  la temperaturi  în jurul a 10 milioane de grade Celsius. Gazul încălzit la aceste temperaturi devine „o plasmă” unde electronii sunt complet separaţi de nucleele atomice (ioni). După cum se ştie, plasma este a patra stare de agregare a materiei, un amestec de ioni, electroni şi particule neutre (atomi sau molecule), aflat la o  temperatura foarte ridicată, ce poate fi asemuită unui gaz total sau parţial ionizat. Deşi pe pământ starea de plasma este rar întâlnita este demn de reţinut faptul că  mai mult de 99% din materia Universului se află sub formă de plasmă. La o presiune maximă ce se poate realiza pe Pământ (de zece miliarde de ori mai mică decât cea din interiorul Soarelui),  pentru a obtine o enegie pe baza reacţiilor de fuziune nucleară  ar fi necesare temperaturi  de circa 100 miloane  de  grade Celsius. Pentru a atinge astfel de temperaturi este necesară nu numai  încălzirea puternică a plasmei dar şi minimizarea pierderilor prin ţinerea plasmei departe de pereţii incintei ce o conţine. Operaţia se poate realiza prin  plasarea plasmei intr-o „cuşca” toroidală generată de  câmpuri magnetice puternice care previn evadarea particulelor încărcate electric. Aceasta constituie cea mai avansata tehnologie a momentului şi formează baza programului de fuziune termonucleară. Programul desfăşurat sub o coordonare unică şi bazat pe laboratoare de cercetare mai mari sau mai mici, dar dirijate spre acelaşi obiectiv, constituie un  exemplu de cooperare europeană şi face din Europa, lidera cercetării fuziunii termonucleare.                                                                                                                       

Rezultatele cercetării  au permis realizarea instalaţiei JET (Joint European Torus), cea mai mare instalatie de fuziune din lume si singura capabila sa lucreze cu un amestec de combustibil deuteriu-tritiu. Aceasta instalatie a fost construita la Culham in Marea Britanie si si-a indeplinit toate obiectivele initiale  si le-a depasit pe altele , atingand in 1997 un record de 16 MW in productia de energie  prin reactia de fuziune termonucleara. In spatele succesului cercetarii europene in fuziunea nucleara  sta munca, efortul si pasiunea a peste  2000 de fizicieni si ingineri  intre remarcam  şi participarea  unor cercetători de la Institutul de Criogenie şi Separări Izotopice  Râmnicu-Vâlcea precum şi de la  Institutul de Fizică Atomică Bucureşti.

Fuziunea poate produce cantităţi nelimitate de energie „curată” cu ajutorul unor resurse disponibile în mari cantităţi precum apa de mare. Din aceste cauze, fuziunea nucleară, care nu lasă în urma decât  o cantitate infimă de deşeuri radioactive, produse de centralele pe bază de fisiune nucleară, este privită ca sursă de energie a viitorului şi ca una dintre cele mai sigure modalităţi de a reduce dependenţa de combustibilii fosili. Materiile prime pentru fuziune: litiul şi deuteriul (uşor obtenabile din apa de mare) sunt practic inepuizabile. În plus  fuziunea prezintă avantaje certe faţă de fisiunea nucleară:

- energia eliberată se ridică la 94 x 10³ kWh(t)/gram de nuclee reactante, ceea ce reprezintă de 1800 de ori  energia ce terbuie asigurată  reactanţilor pentru a iniţia fuziunea;                                                                    

- expunerea publicului în caz de accident este de 100 de ori mai mică decât în cazul fisiunii nucleare;

- volumul de deşeuri radioactive este foarte mic iar pericolul asociat  acestora va fi  de 10-100 000 ori mai mic decât în cazul fisiunii;   

- posibilitatea proliferării armelor nucleare este mult mai mică.

În plus, energia rezultată prin fuziune este produsă fără a elimina în atmosferă gazele de seră aşa cum se întâmpla în cazul termocentralelor convenţionale.

O extrapolare  a instalaţiei J.E.T. o reprezintă  proiectul International Thermonuclear Experimental Reactor (I.T.E.R.), al cărui obiectiv global îl reprezintă demonstrarea fezabilitatii ştiinţifice şi tehnologice a producerii  în scopuri paşnice  de energie pe  calea fuziunii termonucleare. I.T.E.R.-ul constituie următorul pas important în dezvoltarea reactorului de fuziune nucleară şi se bazeaza pe cea mai largă colaborare ştiinţifică internaţionala, desfăşurată sub auspiciile Agentiei Internaţionale de Energie Atomică. ITER-ul va fi capabil să genereze 400 MW energie de fuziune pentru o durată de şase minute, pentru ca mai târziu să fie  extins pentru o funcţionare continuă. De menţionat însă că  prima centrala termonucleara din lume pe baza de fuziune nucleară a fost testată cu succes, în China. Giganticul proiect poreclit „Soare artificial", demarat de autorităţile unui stat mereu avid de resurse energetice, imită modalitatea în care Soarele genereaza energie.

Dispozitivul inaugurat în anul 2006, la Hefei, în estul Chinei, a fost denumit Superconductor Experimental Avansat Tokamak (E.A.S.T.). Cercetătorii chinezi au comunicat că atomii de tritiu şi deuteriu au fost determinaţi să fuzioneze, la o temperatură de 100 de milioane de grade Celsius pentru aproximativ trei secunde. La acea temperatura solară, plasma începe să-şi cedeze propria energie. „Primele teste au durat, e drept, numai trei secunde şi au generat un curent electric de 200 de kiloamperi”, a explicat managerul general al proiectului, Wan Yuanxi. Experimentele vor continua până se va ajunge la o durată a plasmei de 1000 de secunde consecutive, proiect ce s-ar putea realiza peste cel putin zece ani, au apreciat oamenii de stiinta chinezi. Procedeul deosebit de complicat şi costurile tehnologice imense au făcut din această metodă până în prezent mai mult o utopie decât o realitate. Nu se ştie la ce fel de teste exacte a fost supus reactorul, pentru a se putea spune ca este un „succes”, dar oamenii de ştiinţă de la Academia Chineză de Ştiinţe au anunţat ca este „primul reactor operational de acest gen din lume”.  China, a cărei economie creşte cu aproximativ zece procente anual, este decisă să investească minimum 50 de miliarde de dolari pentru construcţia a 30 de centrale nucleare până în anul 2020, adică de trei ori numărul centralelor care sunt deja funcţionale. China este  de asemenea implicată  şi în cel mai ambiţios proiect  de cercetare în domeniul fuziunii nucleare, proiectul I.T.E.R., despre care vom vorbi în numărul viitor.

Dr. Chim. Gheorghe Ioniţă 

(va urma) 

Grafica - Ion Măldărescu, Agero

Impresii si păreri personale în FORUMUL de DISCUŢII - Inseraţi un comentariu la subsolul acestui ARTICOL

       Editor, redactor sef, conceptie, tehnoredactarea Revistei Agero:  Lucian Hetco (Germania).

              Colectivul de redactie: Ion Măldărescu (România), Maria Diana Popescu (România), Cezarina Adamescu (România)

Poşta redactiei: revista_agero@ yahoo.com