O echipă de cercetători de la Universitatea Princeton propune o strategie care ar putea reduce energia necesară pentru a declanșa fuziunea nucleară, procesul care alimentează Soarele. Noua abordare ar putea ajuta la proiectarea unor reactoare mai eficiente și ar reduce riscul unor eșecuri costisitoare, însă soluția se bazează, deocamdată, pe calcule teoretice, nu pe experimente care să-i confirme eficiența.
Energia care alimentează Soarele provine din fuziunea nucleară, procesul prin care nuclee atomice ușoare se combină și eliberează cantități uriașe de energie. Dacă oamenii de știință vor reuși să reproducă și să controleze acest fenomen pe Pământ, omenirea ar putea obține o sursă de energie abundentă, cu emisii directe de carbon foarte reduse în timpul funcționării.
Drumul până la acest obiectiv este însă dificil. Pentru ca reacțiile de fuziune să se susțină, combustibilul trebuie adus în stare de plasmă și încălzit la temperaturi extreme, iar particulele trebuie menținute în condiții care să permită suficientor nuclee să fuzioneze, notează Science Alert.
Cercetătorii de la Universitatea Princeton susțin că au identificat o cale teoretică mai eficientă de a ajunge la așa-numita aprindere a plasmei, momentul în care energia eliberată de reacțiile de fuziune poate susține încălzirea plasmei, reducând dependența de sursele externe de energie.
Studiul a fost publicat în revista științifică Physical Review Letters și propune o metodă de evaluare mai realistă a condițiilor necesare pentru declanșarea și menținerea reacțiilor.
Pentru a explica noua strategie, fizicienii folosesc imaginea unui munte. În loc să încerce să ajungă în vârf consumând cantități uriașe de energie, cercetătorii caută un traseu alternativ, care să ocolească obstacolele și să ducă la aceeași destinație cu un efort mai mic.
„Multe companii vor să urce muntele cu capul înainte și cheltuiesc enorm de multă energie pentru a ajunge acolo”, explică fizicianul Luis Delgado-Aparicio, citat în prezentarea cercetării.
„În schimb, ocolește vârful. Ajungi în același loc într-un mod mult mai inteligent și consumi mult mai puțină energie”, este ideea din spatele analogiei.
În termeni tehnici, echipa a analizat condițiile în care plasma poate ajunge la aprindere, căutând combinația de parametri care ar necesita cea mai mică investiție energetică. O asemenea optimizare ar putea avea consecințe importante pentru proiectarea reactoarelor viitoare, în care fiecare pierdere de energie complică atingerea condițiilor necesare fuziunii.
Cercetarea pornește de la criteriul Lawson, un reper fundamental al fizicii fuziunii, dezvoltat în anii 1950. Acesta descrie condițiile pe care trebuie să le îndeplinească plasma, în special în privința temperaturii, densității și timpului de confinare, pentru ca reacțiile să producă suficientă energie.
Echipa de la Princeton a extins analiza prin includerea simultană a patru efecte care pot influența decisiv comportamentul plasmei:
Cenușa de heliu, produsă în urma reacțiilor de fuziune, care diluează combustibilul și poate reduce eficiența reacțiilor ulterioare.
Impuritățile provenite din pereții reactorului, care pot ajunge în plasmă și îi pot modifica proprietățile.
Radiația sincrotronică, prin care plasma pierde energie sub formă de radiație electromagnetică.
Pierderile de căldură, care reduc energia disponibilă pentru menținerea temperaturii necesare fuziunii.
Aceste fenomene erau cunoscute și studiate anterior, însă cercetătorii au urmărit să le integreze într-un singur cadru de calcul, pentru a obține o imagine mai apropiată de condițiile reale ale unui reactor.
„Când omiți aceste efecte, spui că proiectul va funcționa bine. Când le incluzi, imaginea se schimbă și devine destul de importantă”, explică Masayuki Ono, unul dintre cercetătorii implicați.
Prin urmare, o configurație care pare promițătoare într-un model simplificat poate deveni mult mai dificil de realizat atunci când sunt luate în calcul toate sursele importante de pierdere a energiei.
Unul dintre rezultatele importante ale simulărilor privește ordinea în care ar trebui ajustați parametrii plasmei. Cercetătorii au analizat ceea ce este cunoscut drept șaua Cordey, o soluție matematică ce poate identifica un traseu energetic mai avantajos către aprindere.
Calculele sugerează că încălzirea plasmei înainte de creșterea densității ar putea reprezenta o strategie mai eficientă decât abordarea inversă, în condițiile analizate de model.
Ordinea operațiunilor contează deoarece plasma trebuie să atingă simultan mai multe condiții favorabile fuziunii. Dacă parametrii sunt modificați într-o succesiune mai puțin eficientă, reactorul poate necesita energie suplimentară pentru a ajunge în regimul dorit.
Noua abordare nu înseamnă că fuziunea poate fi declanșată simplu sau că problema consumului energetic a fost rezolvată. Ea oferă însă o metodă de identificare a traseelor care ar putea reduce dificultățile tehnice și costurile asociate dezvoltării reactoarelor.
Studiul scoate în evidență și un risc care poate părea surprinzător: chiar și o cantitate mică de tungsten ajunsă în plasmă ar putea afecta grav reacțiile de fuziune.
Tungstenul este luat în calcul pentru componentele interne ale unor reactoare deoarece rezistă la temperaturi foarte ridicate. Totuși, dacă particule din acest metal ajung în plasmă, ele pot emite radiații care transportă energia în afara acesteia. În anumite condiții, pierderile pot deveni atât de mari încât plasma să nu mai poată menține temperatura necesară susținerii reacțiilor.
Această problemă evidențiază unul dintre marile compromisuri ale proiectării reactoarelor: materialele trebuie să reziste unui mediu extrem, dar să nu contamineze combustibilul într-un mod care să compromită funcționarea instalației. Prin urmare, controlul impurităților și protejarea plasmei vor rămâne aspecte esențiale pentru orice reactor care urmărește să atingă aprinderea.
În mod obișnuit, radiația și scurgerile de căldură sunt considerate obstacole în calea fuziunii, deoarece reduc energia disponibilă pentru încălzirea plasmei. Modelele analizate de echipă indică însă că aceste procese pot contribui, în anumite condiții, și la stabilizarea reacțiilor.
Există, așadar, un echilibru delicat între pierderile care fac aprinderea mai dificilă și efectele care pot împiedica apariția unor instabilități nedorite.
Într-un reactor real, obiectivul nu este doar atingerea unei temperaturi extreme, ci și menținerea plasmei într-un regim controlat, suficient de stabil pentru ca reacțiile să poată continua.
Cercetătorii consideră că noul cadru de analiză ar putea fi util pe măsură ce domeniul trece de la experimente cu plasmă de fuziune la proiectarea unor instalații capabile să producă energie la scară mai mare.
Cât de aproape suntem de energia de fuziune?
Rezultatele sunt promițătoare, dar trebuie interpretate cu prudență. Studiul nu a inclus teste experimentale care să demonstreze că noua strategie funcționează într-un reactor real. Concluziile provin din modelare și calcule teoretice, care vor trebui confruntate cu experimente și cu limitele tehnologice ale instalațiilor existente.
În plus, atingerea aprinderii nu rezolvă automat toate problemele necesare pentru producerea comercială a electricității. Un reactor trebuie să funcționeze în condiții stabile, să gestioneze materialele expuse fluxurilor intense de particule și radiații și să poată furniza energie utilă în condiții economice viabile.
Cu toate acestea, o metodă mai bună de identificare a condițiilor necesare aprinderii ar putea economisi timp și bani în proiectarea viitoarelor instalații. Într-un domeniu în care experimentele sunt complexe și costisitoare, îmbunătățirea calculelor poate face diferența între o configurație promițătoare pe hârtie și una care merită testată în laborator.
Cercetătorul Jonathan Menard a subliniat că sunt necesare studii suplimentare, dar rezultatele oferă o direcție clară pentru cercetările viitoare.
Fuziunea nucleară nu este încă o sursă comercială de energie disponibilă pe scară largă, iar drumul până acolo rămâne dificil. Totuși, dacă strategiile de optimizare propuse vor fi confirmate, ele ar putea ajuta fizicienii să reducă unele dintre obstacolele care stau între energia produsă de stele și posibilitatea de a o folosi pe Pământ.
