Fuziunea nucleară, puterea Soarelui în mâinile omului: JET, cel mai puternic reactor de fuziune din lume, scos din funcțiune după patru decenii de activitate/ Ce moștenire ne lasă

Anul 2023 s-a încheiat cu multe progrese în variate domenii științifice, dar aproape de final a fost scris și ultimul capitol al unei povești de succes de decenii întregi. Torul Comun European (Joint European Torus, sau JET) și-a încheiat activitățile după 40 de ani, iar scoaterea sa din funcțiune reprezintă finalul celui mai de succes experiment de fuziune nucleară din istorie, explică BBC.

Fuziunea nucleară – puterea Soarelui, în mâinile omului

Fuziunea nucleară este procesul care alimentează Soarele și alte stele și funcționează prin forțarea perechilor de atomi ușori să se unească – opusul fisiunii nucleare, în care atomii grei sunt despărțiți.

“Descoperită” în anii ‘20, fuziunea are o reputație cu adevărat înspăimântătoare, cu motive întemeiate. 

La urma urmei, Bomba Țarului, detonată de Uniunea Sovietică în 1961, a fost o bombă cu hidrogen – un tip de focos nuclear care se folosește de fuzionarea izotopilor de hidrogen pentru a genera explozii cu un potențial distructiv greu de imaginat. Bomba Țarului a fost cea mai puternică explozie provocată vreodată de mâna omului – de sute de ori mai puternică decât exploziile provocate de bombele nucleare folosite de Statele Unite la Hiroshima și Nagasaki.

Există, totuși, si o față mai puțin sumbră a acestei situații. Fuziunea nucleară este văzută ca o adevărată comoară în domeniul energiei, deoarece poate produce o cantitate mare de energie fără emisii de gaze cu efect de seră, motiv pentru care comunitatea științifică încearcă de aproape un secol să perfecționeze procesul.

În această privință, JET reprezintă, probabil, cel mai mare succes de până acum. În 1983, cercetători din toată Europa s-au adunat în Oxfordshire, Marea Britanie, la Centrul Culham pentru Energia de Fuziune pentru a lua parte la primul experiment realizat cu ajutorul unui dispozitiv care, pentru următoarele patru decenii, avea să devină epicentrul cercetării în domeniul fuziunii la nivel mondial. 

Ce este JET mai exact?

JET este un tokamak, un dispozitiv folosit de oamenii de știință pentru a crea reacții de fuziune într-un mediu sigur, controlat prin intermediul câmpurilor magnetice, după cum explică Departamentul pentru Energie al SUA.

Potrivit cercetătorilor care lucrează la proiectul internațional de cercetare a fuziunii ITER, în centrul unui astfel de aparat se află un container în formă de gogoașă, sau toroidală în limbaj științific, care este umplut cu hidrogen gazos. 

Sub influența temperaturii și presiunii extrem de ridicate, hidrogenul devine plasmă, un gaz fierbinte, încărcat electric. Atât într-o stea, cât și într-un dispozitiv de fuziune, plasmele oferă mediul în care elementele ușoare pot fuziona și produce energie.

Fiind încărcate electric, particulele de plasmă pot fi controlate prin intermediul unui sistem de bobine magnetice masive care înconjoară containerul. 

De altfel, de aici provine și denumirea dispozitivului. Termenul “tokamak” îi este atribuit cercetătorului rus Igor Golovin, și este un acronim care vine de la “Toroidalnaya Kamera i Magnitnaya Katushka” (Cameră Toroidală și Bobine Magnetice).

JET – recorduri și contribuții

Potrivit Agenției Internaționale a Energiei Atomice, la începutul lui 2023 existau în lume peste 130 de dispozitive de fuziune nucleară fie în construcție, în faza de proiectare sau deja operaționale, dintre care peste 50 foloseau modelul tokamak. Niciunul dintre acestea nu se apropie, totuși, de JET din punct de vedere al performanței și al forței de muncă implicate.

Gestionat în cadrul Programului European pentru Fuziune, sau EUROFusion, înainte de a începe procesul de dezafectare, JET era folosit în comun de peste 350 de oameni de știință și ingineri de la 31 de laboratoare din toată Europa.

La mai puțin de un deceniu de la inaugurare, în 1991, JET a devenit primul tokamak din istorie folosit de oamenii de știință pentru a fuziona deuteriu și tritiu, doi izotopi de hidrogen care sunt, până în prezent, cei mai folosiți combustibili în procesul de fuziune nucleară. 

• Notă: Deuteriul și tritiul sunt surse promițătoare de combustibil atât datorită abundenței, cât și a potențialului energetic, explică Departamentul de Stat al SUA. Energia de fuziune eliberată de doar un gram de combustibil deuteriu-tritiu este egală cu energia produsă de aproximativ 9.000 de litri de petrol.

În 1997, cercetătorii de la Centrul Culhan au stabilit recordul mondial de energie produsă prin fuziune nucleară (21.7 megajouli) – record care a fost doborât abia un sfert de secol mai târziu, tot la Culhan, explică The Guardian.

În 2022, după 25 de ani de experimente și îmbunătățiri, JET aproape că și-a triplat recordul inițial când a reușit să producă, în timpul unei reacții de fuziune care a durat cinci secunde, aproximativ 59 de megajouli de energie. 

Fuziunea nucleară – potențial considerabil, dar un viitor îndepărtat

Motivele pentru care comunitatea științifică este atât de interesată de energia de fuziune sunt numeroase, explică Agenția Internațională a Energiei Atomice:

• izotopii de hidrogen folosiți pentru alimentarea reacțiilor de fuziune sunt ușor de găsit și extras din materiale precum litiul folosit la fabricarea de baterii sau chiar din apă;
•  reacțiile de fuziune pot produce de până la patru ori mai multă energie decât fisiunea nucleară folosită în reactoarele tradiționale;
• singurul gas emis din proces este heliul, care nu poluează și nu are proprietăți radioactive

Pe deasupra, continuă agenția, riscul unei explozii nucleare este practic eliminat, în mod paradoxal tocmai datorită condițiilor extreme necesare pentru a realiza fuziunea: plasma dintr-un tokamak trebuie încălzită până la 100 de milioane de grade Celsius cu ajutorul unor sisteme de încălzire externe. În caz de defecțiuni sau schimbări neașteptate, alimentarea cu energie poate fi întreruptă, iar plasma se răcește în doar câteva secunde.

Complexitatea și efortul necesar pentru a întruni aceste condiții reprezintă, totuși, și cea mai mare dilemă a oamenilor de știință în privința energiei de fuziune: acest proces poate produce cantități considerabile de energie dar, în mod ironic, încălzirea și manipularea plasmei necesită chiar și mai multă energie, o problemă pe care, până acum, o singură echipă de cercetători a reușit să o rezolve.

La finalul lui 2022, oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California, Statele Unite, au folosit lasere deosebit de puternice pentru a încălzi plasma, declanșând pentru prima oară în istorie o reacție de fuziune care a produs mai multă energie decât a consumat. De atunci, performanța a fost repetată o singură dată, în vara anului 2023.

De la JET la ITER – între ambiție și nesiguranță 

Deși Torul European Comun își încheie “cariera”, moștenirea considerabilă pe care o lasă în urmă nu va fi irosită. 

Datele adunate și experimentele realizate în ultimele patru decenii la Oxfordshire îi vor ajuta pe cercetători în realizarea următorului mare proiect de cercetare a energiei de fuziune: ITER (The International Thermonuclear Experimental Reactor), un tokamak experimental capabil să gestioneze de șase ori mai multă plasmă decât a putut JET vreodată, a cărui construcție a început deja în sudul Franței. 

Un proiect comun finanțat de Uniunea Europeană, Statele Unite, Japonia, China, Rusia, India și Coreea de Sud, ITER are două scopuri ambițioase: să producă de zece ori mai multă energie decât consumă și să permită oamenilor de știință să testeze noi teorii și tehnologii, de la diferite tehnici de încălzire și răcire la activități de întreținere.

Pe scurt, deși ITER nu va transforma energia produsă în electricitate, va încerca să simuleze condițiile în care ar putea opera în viitor o centrală nucleară care folosește fuziunea în loc de fisiune.

Din păcate, proiectul ambițios a întâmpinat deja multe dificultăți. Proiectul început în 2006 cu un buget de 5 miliarde de euro trebuia inițial finalizat în 2016, însă atât costurile cât și data încheierii lucrărilor au suferit modificări drastice, arată o investigație realizată de Scientific American. 

Ultimele date oficiale arătau că bugetul total a ajuns la aproximativ 22 de miliarde de euro, iar data de finalizare stabilită era anul 2025, însă noi documente obținute de Scientific American în urma unui proces intentat împotriva filialei americane a Consiliului ITER, entitatea care administrează proiectul, arată că nici aceste date nu mai sunt de actualitate.

Pentru moment, data finalizării proiectului este neclară, însă un nou program actualizat va fi publicat în 2024, potrivit site-ului ITER.