Fuziunea nucleară. Reactorul TOKAMAK.

În cea de-a opta lecție de fizică nucleară vom discuta despre reacția de fuziune nucleară

și despre cea mai importantă aplicație ei, reactorul de fuziune TOCAMAC.

Să începem cu fuziunea nucleară. Reacția de fuziune nucleară este contopirea a două nucleei ușoare

cu formarea unui nucleu mai greu și emisie de energie.

Un exemplu important de reacție de fuziune nucleară, vom vedea imediat de ce,

este fuziunea dintre două izotope ai hidrogenului și anume deuteriul și tritiul

cu formarea unui nucleu de heliu și emisia unui neutron.

Hidrogenul în starea fundamentală, în starea cea mai întâlnită a lui,

este în izotopul cu sarcină 1 și masă 1,

ceea ce înseamnă că nucleul este format dintr-un singur proton.

Deuteriul și tritiul se formează prin adăugarea unui neutron, respectiv a doi neutroni,

în nucleu a celui proton inițial.

Această reacție de fuziune nucleară eliberează un neutron cu energie cinetică semnificativă.

Putem vedea cât este aproximativ această energie cinetică,

făcând bilanțul energetic al acestei reacții de fuziune,

și anume calculând diferența dintre energia finală de repaus și energia inițială de repaus

a acestei reacții.

Deci avem masa heliului plus masa neutronului minus masa deuteriului și minus masa tritiului,

orice pătrat.

Înlocuind valorile maselor acestor nuclee și a neutronului,

și reamitindu-ne relația

o unitate atomică de masă mulțită cu viteza luminii la pătrat

este egală cu 931,5 MEV,

Putem calcula diferența de energie între starea finală și starea inițială

și obținem această valoare, minus 17,6 MEV.

În primul rând vedem că această diferență de energie este negativă.

Deci starea finală are o energie de repaus mai mică decât starea inițială.

Asta ne spune că acest proces are loc de la sine.

Odată ce condițiile necesare sunt îndeplinite, vom vorbi imediat ce înseamnă acest lucru.

Dar în principiu odată ce deuteriu și tritiu sunt aduse împreună,

ele vor fuziona automat formând această stare finală

pentru că ea are energie mai mică și este favorată din punct de vedere energetic.

De asemenea, vedem că magnitudinea diferenței de energie dintre cele două stări,

finală și inițială, este destul de mare.

Deci avem acest 17,6 MEV, care este o energie semnificativă

și care se va regăsi sub formă de energie cinetică a produșilor finali, heliu și neutronul.

Această energie cinetică nu se distribuie egal, ci se distribuie invers proporțional cu masa produșilor.

Asta înseamnă că neutronul va lua o fracție mai mare din această energie cinetică comparat cu heliu.

Haideți să vorbim acum despre câteva caracteristici principale ale acestei reacții de fuziune.

În primul rând, în afară de faptul că are loc de la sine în anumite condiții

și că energia cinetică produsă este mare, mai există un alt avantaj ale ei

și anume că materia primă, adică deuteriu și tritiu, al acestui proces e foarte ușor de obținut.

Deuteriu se găsește în apa de mare.

Deuteriu este un izotop al hidrogenului care se găsește în natură.

Bineînțeles nu la fel de mult ca hidrogenul, dar tutuși se găsește suficient de mult

ca să-l putem obține prin tratarea apei de mare.

Tritiu nu se găsește în natură, sau ce puțin nu suficient de abudent,

dar se poate produce ușor prin procesul de captură neutronică pe litiu.

Deci se folosesc nuclee din litiu care se bombardează cu un flux de neutroni

și se formează heliu și tritiu într-o stare excitată care apoi se dezexcită prin emisie de gamma.

Concluzia ar fi că materia primă pentru fuziunea nucleară este mult mai ușor de obținut

spre exemplu în comparație cu materia primă din fiziunea nucleară

și în plus nu avem problema mare a radiațiilor nucleari.

Tot acest proces are loc fără emisie de radiații alfa sau beta

care după cum am văzut au consecințe din punct de vedere al protecției necesare

aplicațiilor de fiziune nucleară.

Acum să specificăm ce am vrut să spunem când am spus că

trebuie să fie îndeplinite condițiile necesare pentru ca deuteriu și tritiu să fuzioneze.

Aceasta are de face cu faptul că ele au sarcină electrică.

Ambele nuclee sunt pozitiv încărcate și deci se vor respinge.

Deci principala problemă pe care trebuie să o rezolvăm

în a controla acest proces de fuziune nucleară

este aceea că deuteriu și tritiu fuzionează nuclear la distanțe mici sau la viteze mari.

Și aceasta deoarece la distanțe mari și viteze mici,

deci inversul acestei situații, domină repulsia electrostată.

Deci cum am spus, ele sunt încărcate pozitiv.

Amândouă au sarcină plus un e, o unitate electrică de sarcină.

Și deci se vor respinge.

Pentru a putea amorsa reacția nucleară care va duce la fuziunea lor,

trebuie să le aducem la distanțe mici în care forța nucleară devine comparabilă de atracție,

devine comparabilă cu forța electrostatică de repulsie

și de asemeni să le împingem unul între altul prin viteze relativ mari.

Modul concret prin care se face acest lucru este prin creșterea vitezei termice medii

a materialului ce conține deuteriu și tritiu.

Deci pur și simplu încălzim acest material amestec de deuteriu și tritiu

până la punctul la care, datorită agitației termice foarte mari,

o fracție semnificativă de astfel de nuclee se apropie mult unul de altul între ele

și fac aceasta cu viteză foarte mare.

În momentul acela obținem o fracție mare de nuclee ce intră în domeniul distanțelor și vitezelor

în care forța nucleară devine comparabilă sau chiar mai mare decât forța electrostatică

și deci atracția învinge repulsia și atunci are loc fuziunea.

Problema este că în practică reiese că viteza termică medie necesară întâmplării acestui fenomen

și anume dominării forți electrostatice de către forța nucleară

corespunde unei temperaturi medii a amestecului deuteriu și tritiu

de ordinul milioanelor sau chiar zecilor de milioane de grade kelvii.

În concluzie avem de a face cu o plasmă de deuteriu-tritiu.

Deci concluzia principală este că acest proces de fuziune nucleară și în general procesele de fuziune nucleară

apar doar în starea de plasmă adică de temperatură foarte înaltă

care se poate obține bineînțeles dar există anumite probleme ce trebuie rezolvate în manipularea unei plasmă.

O dată amorsată fuziunea se auto-întreține.

Deci la fel ca în cazul fiziunii nucleare în anumite condiții care sunt foarte diferite în cazul fuziunii nucleare

dar totuși în anumite condiții obținem această proprietate importantă a acestor reacții nucleare

de a se auto-întreține și anume produsele de reacție dintr-o generație generează reacțiile din generația următoare

și formăm lanțuri de fuziuni respectiv fiziuni care constituie un caracter important în folosirea în practică a acestor reacții în generarea de energie.

Haideți să vedem care este tehnologia dezvoltată deja și folosită

pentru a forma sau a construi un reactor de fuziune nucleară plecând de la aceste idei.

Deci să discutăm despre reactorul de fuziune numit TOCAMAC.

TOCAMAC-ul este un reactor de fuziune care folosește o tehnologie concretă, specifică

pentru a genera plasma de deuteritritul și a menține reacția de fuziune într-o stare de echilibru pentru un timp îndelungat.

Deci, mai concret, reactorul de fuziune TOCAMAC

utilizează un câmp magnetic toroidal foarte intens

pentru a forma, în primul rând, plasma de deuteritritul la temperaturi suficient de mari

deci vorbeam de ordinul zecilor de milioane de Kelvin

pentru a amorsa și, după aceea, foarte important, pentru a și întreține această fuziune nucleară amorsată.

Pentru a desena foarte schematic ideea principală a unui TOCAMAC

avem de a face cu o încintă toroidală.

Aceasta înseamnă că încinta are forma unui inel.

Deci, încinta este interiorul acestui inel.

În exterior, în primul rând, avem

iarăși, ca să reprezentăm foarte schematic,

vom da un exemplu concret în curând,

dar, în principiu, avem, dacă doriți, aceste inele

cu străbătute de curent electric de frecvență și intensitate foarte mare

și, după cum știm, un astfel de câmp electric variabil

va genera un câmp magnetic variabil intens, în cazul acesta, în interior.

Deci, din nou, aceste fire, aceste înfășurări

sunt străbătute de un curent alternativ de mare intensitate și mare frecvență

care va genera, în interior, un câmp magnetic foarte intens.

Acest câmp magnetic va transforma gazul de deuteriu și tritiu într-o plasmă.

Prima consecință a caracterului special

în care este construit acest câmp magnetic din interiorul zonei toroidale

este că plasma nu atinge încinta.

Deci, plasma de deuteriu și tritiu, bineînțeles, este încărcată electric.

Deuteriu și tritiu sunt nuclee încărcate pozitiv

care vor interacționa electromagnetic cu câmpul magnetic produs de aceste înfășurători.

Acest câmp magnetic este construit cu asemenea geometrie

încât aceste sarcini electrice vor fi împinse către interior.

Deci, plasma de deuteriu și tritiu

se va afla doar în interiorul zonei toroidale

și deci nu va atinge pereții încinte.

Acest lucru este foarte important pentru că dacă această plasmă pe care o hașurez eu acum

de deuteriu și tritiu, la temperatura de 10 de milioane de Kelvin

ar atinge suprafața, aceasta s-ar topi instantaneu.

Nu există material care să reziste la temperaturi așa de nalte.

Deci prima aplicație importantă a configurației specifice a câmpului magnetic generat

este că va forța plasma să stea constricționată sau constrânsă

în jurul axului toroidului fără a atinge încinta.

Nucleele încărcate de deuteriu și tritiu din plasmă

formează curenți electrici intenși.

Deci avem sarcini electrice într-un câmp magnetic

și atunci ele se vor deplasa.

Deci nucleele de deuteriu și tritiu nu se află într-o mișcare termică, dezordonată, intensă

ci se află într-o mișcare foarte ordonată și rapidă de circulație

tot datorită formei acestui câmp magnetic din toroid.

Deci formăm curenți electrici intenși de nuclee încărcate pozitiv.

Acest fapt va duce la încălzirea suplimentară,

într-o treaptă suplimentară, a plasmei inițiale prin efect Joule.

După cum știm, unul din efectele curentului electric a deplasării sarcini electrice

este emisia de energie termică prin efect Joule.

Și deci, într-o etapă ulterioară, are loc o creștere a temperaturii plasmei prin efect Joule.

Dar ea încă nu este suficient de înaltă

pentru a se amorsa reacția de fuziune nucleară.

Creșterea suplimentară și semnificativă a temperaturii plasmei,

astfel încât să ajungem la temperaturile dorite de ordinul 10 la 8 Kelvin,

deci 10 de milioane de Kelvin,

are loc prin așa-numitul efect de stricțiune,

care duce la creșterea exponențială,

deci foarte puternică, atât a temperaturii cât și a densității plasmei.

Efectul de stricțiune, la ideea lui de bază, este foarte simplu.

Și anume, avem, după cum am spus, curenți de nuclee încărcate pozitiv.

Dar acești curenți sunt paraleli.

Deci avem curenți paraleli de sarcini pozitive în interiorul plasmei.

Dar după cum știm, între doi curenți paraleli în care avem același sens a curentului electric,

deci dacă avem doi conductori, spre exemplu,

în care curenții electricii I1 și I2 au același sens,

apare o forță de atracție electromagnetică între cei doi conductori.

Deci acesta este fenomenul de bază ce se întâmplă în plasmă.

Curenții de deuteriu și tritiu se atrag între ei pentru că au același sens

și atunci plasma în sine,

sau jetul de plasma aflat în circulație pe axa toroidului,

se va constrânge puternic în jurul axei,

formând un fir de plasmă,

ceea ce duce la creșterea densității și a temperaturii suficient de mare

încât să ajungem la astfel de temperaturi.

Și la acest punct se amorsează reacția de fuziune.

Deci în momentul în care efectul de stricțiune și atinge intensitatea maximă,

are loc fuziunea deuteriului și tritiului în heliu,

2,4 și neutroi, 0,1.

Deci în felul acesta, ca idee principală,

bineînțeles, în practic apar tot felul de complicații,

tot felul de calcule, se dezvoltă teorii matematice foarte precise

ale câmpurilor electromagnetice din întreg dispozitivul,

dar ideea principală este aceasta.

Și în fine, cum se folosește această reacție de fuziune?

În principal, folosind energia cinetică cărată de către neutroni.

Neutronii părăsesc câmpul electromagnetic,

deoarece au sarcină zero.

Deci odată ce a avut loc o fuziune într-un anumit punct din plasmă deuteriu-tritiu,

se va genera un neutron.

Neutronul nu este încărcat electric, este neutru.

În concluzie, el nu simte nimic din toate interacțiile electromagnetice complicate

dintr-un tokamak, și deci pur și simplu va fi ejectat datorită forței centrifugiei.

El are o viteză mare, pe o traiectorie curbilinie,

și deci va simți o forță centrifugală mare și va ieși din dispozitiv,

cărând energia cinetică pe care a primit-o din reacția de fuziu.

Această energie cinetică cărată de către neutroni afară din dispozitiv

e transformată în energie termică.

Mai exact, în jurul dispozitivului electromagnetic se află

un dispozitiv ce conține elemente de moderare,

deci nuclee ușoare, apă, apă grea sau alte substanțe formate din nuclee ușoare

și acestea preiau energia termică a neutronilor,

care este apoi transformată în energie electrică.

Bineînțeles, în reacție se formează și heliu,

care este încărcat electric, deci va continua să circule în câmpul electromagnetic,

dar este mai greu.

Heliu are masa 4, care este mai mare decât deoteriu și tritiu,

deci treptat, datorită forței centrifugale mai mare, va părăsi zona plasmii.

Acesta este felul în care se încearcă și se obține reacția de fuziune

folosind un instrument de tip tokamak.

Problema este că la ora actuală, deși multe tokamak-uri sunt în funcțiune

și avem multe reactoare de fuziune nucleară,

ele nu sunt încă viabile economic,

adică încă, de exemplu, folosim mai multă energie decât producem

sau o facem în varii tehnologii care nu sunt viabile economic deocamdată.

Motiv pentru care s-a format o mare colaborare experimentală,

care se numește ITER și are loc la ora actuală în Franța acest experiment ITER,

care își propune construirea primului reactor de fuziune de tip tokamak,

care să fie și viabil economic.