66

7. CONVERSIA ENERGIEI NUCLEARE DE FUZIUNE ÎN ENERGIE ELECTRIC Ă

7.1. REACŢIA DE FUZIUNE NUCLEAR Ă O altă cale de a obţine energie prin transformarea masei în energie

este reacţia de fuziune nucleară. Singurul fenomen de ardere completă a materiei, în care toată masa este convertită în energie este procesul de anihilare a materiei cu antimateria. Dar până în prezent nu s-a găsit un procedeu practic de realizare a acestei culmi a conversiei. Cele mai înalte randamente se pot obţine utilizând reacţiile de fisiune nucleară a unor nuclee grele şi fuziune a unor nuclee uşoare, la care doar sub 0.4% din masă este convertită în energie.

Astfel energia rezultată în urma fisionării unui atom de U235 este de 190 MeV iar la fuziunea deuteriului (D) cu tritiul (T) se obţine 17.6 MeV. Şi acest lucru e spectaculos, având în vedere că la arderea unui atom de carbon se obţine abia o energie de 4 eV.

Deuteriul şi tritiul sunt izotopi ai hidrogenului care mai au în nucleu, pe lângă un proton şi câte unul sau doi neutroni.

Utilizarea energiei de fuziune are următoarele avantaje în raport cu cea de fisiune:

• rezervele de materiale fisionabile (uraniu) sunt epuizabile într-un număr redus de ani (50-100), pe când rezervele de deuteriu sunt foarte mari (1/7000 din apa mărilor şi oceanelor);

• efectele de poluare a mediului sunt mult mai reduse. Procesul de fuziune nucleară are loc în mod curent în soare şi

stele, dar pe Pământ singura sa aplicaţie este deocamdată distrugătoarea bombă cu hidrogen în care temperaturile mari necesare reacţiei de fuziune se realizează cu o mică bombă de fisiune.

Reacţiile de fuziune cele mai cunoscute sunt:

MeVnHeDD 27,310

32

21

21 ++=+ , (7.1)

MeVpTDD 03.411

31

21

21 ++=+ , (7.2)

MeVnHeTD 5.1710

42

31

21 ++=+ . (7.3)

67

Se observă că cea mai favorabilă reacţie de fuziune este cea dintre deuteriu şi tritiu. Energia rezultată corespunde defectului de masă dintre elementele ce intră în reacţie şi cele care rezultă. Energia se regăseşte sub forma energiei cinetice a elementelor rezultate din reacţie. Astfel la fuziunea D-T energia rezultată se împarte aproximativ în raport invers cu masele conform legilor mecanicii: 14 MeV pentru neutroni şi 3.5 MeV pentru particulele alfa (atomii de heliu).

Fuziunea a doi atomi implică apropierea nucleelor lor până la distanţe de 10-13 cm. Această apropiere este legată de mari dificultăţi datorită enormelor forţe de respingere electrostatică dintre nuclee care conţin protoni, forţe electrostatice invers proporţionale cu pătratul distanţei dintre ele.

Pentru a apropia nucleele între ele la distanţe aşa mici, este nevoie ca acestea să fie accelerate la viteze foarte mari în acceleratoare de particule sau să creştem viteza nucleilor şi energia lor cinetică prin încălzire. E nevoie de încălzirea lor la milioane de grade Celsius. Deocamdată reacţia de fuziune are loc în soare la milioane de grade şi produce energie solară care ajunge şi pe pământ. Tot la milioane de grade se produce şi reacţia de fuziune în bomba cu hidrogen.

În prezent se studiază în toată lumea controlarea reacţiei de fuziune în reactoare de fuziune pentru producerea de energie electrică, aceasta fiind soluţia de viitor a crizei energetice. Acest lucru se bazează pe faptul că deuteriul se găseşte în cantităţi nelimitate în apa mărilor şi oceanelor.

Nu acelaşi lucru se poate spune despre tritiu care este un izotop radioactiv al hidrogenului cu un timp de înjumătăţire de 12,5 ani. Dar pentru producerea de tritiu s-a imaginat o soluţie ingenioasă, regenerarea tritiului, asemănătoare soluţiei de la reactoarele de fisiune reproducătoare. Astfel, reactoarele de fuziune se realizează cu pereţi de litiu topit. Litiul topit serveşte în principal la răcirea reactorului, deci la extracţia căldurii produse în reactor. După cum se vede în ultima reacţie, în urma reacţiei de fuziune se produc neutroni şi atomi de heliu. Dar, încă de la câteva mii de grade, atomii îşi pierd învelişul electronic şi se ionizează formând aşa numita plasmă, materie formată din particule încărcate electric, particule uniform distribuite

68

datorită forţelor electrostatice, aşa încât plasma este neutră din punct de vedere electric. Nucleii de He formaţi, având sarcină pozitivă (+2) vor rămâne în plasmă pe când neutronii formaţi, fiind neutri din punct de vedere electric, vor părăsi plasma şi lovindu-se de pereţii din litiu topit vor ceda acestora energia lor cinetică asigurând eliminarea energiei de reacţie din reactor precum şi vor participa la formarea de tritiu după reacţia:

36

01

13

24 4 8Li n T He MeV+ = + + , , (7.4)

37

01

13

24

01 2 7Li n T He n MeV+ = + + − , . (7.5)

În acest fel, în litiul topit care se extrage din reactor se găseşte tritiu care este separat şi poate fi utilizat pentru reacţii deuteriu-tritiu. Litiul natural conţine 7.4% Li6 şi 92.6% Li7.

Programele de cercetare în domeniul fuziunii lente sau a fuziunii controlate se desfăşoară în multe ţări ale lumii de mai bine de 30 de ani fără rezultate palpabile.

7.2. PLASMA Producerea reacţiei de fuziune este legată de existenţa plasmei care

este a patra stare de agregare a materiei. Existenţa ei a fost intuită încă din antichitate: grecii, chinezii şi indienii antici, în filosofia lor acceptau că totul este alcătuit din 4 elemente: pământ, aer, apă şi foc (plasmă). Deci plasma corespunde unei substanţe alcătuite din particule încărcate electro-pozitiv, electro-negativ şi neutre din punct de vedere electric.

Se definesc: • ne - numărul de electroni pe unitatea de volum; • ni - numărul de ioni pozitivi pe unitatea de volum; • n0 - numărul de particule neutre. În general plasma este neutră din punct de vedere electric, adică: ne= ni = n - concentraţia de particule încărcate sau densitatea

plasmei. Un alt parametru global al plasmei este gradul de ionizare (α):

α =+n

n n0

. (7.6)

69

De asemenea se mai foloseşte temperatura termodinamică a plasmei (T):

Te = Ti = T0 =T. (7.7) Cele trei variabile α, n şi T nu sunt independente; α este funcţie de

temperatură. Există plasme reci şi plasme calde. Plasmele reci au un grad de

ionizare (α) foarte mic iar plasmele calde au un grad de ionizare foarte apropiat de 1.

Plasmele termonucleare sunt plasme foarte calde (milioane de grade).

Pentru ca reacţia de fuziune să fie posibilă, aceste plasme trebuie sa îndeplinească următoarele condiţii:

• temperatură foarte mare, suficientă pentru amorsarea reacţiei de fuziune;

• densitate (concentraţia de particule) foarte mare, având în vedere că la temperaturi mari plasma are tendinţa să se dilate şi să-şi reducă densitatea;

• energia produsă să acopere pierderile (bilanţ pozitiv), având în vedere că la temperaturi de milioane de grade pierderile termice prin radiaţie sunt foarte mari;

• energia produsă să aibă caracter neexploziv şi să poată fi extrasă.

Din acest motiv în reactoarele termonucleare se i-au măsuri pentru confinarea plasmei (menţinerea într-un volum dat) un timp suficient de lung, în scopul creşterii densităţii plasmei până la o valoare care îndeplineşte criteriul lui Lawson :

ns

m⋅ >τ 1020

3 , (7.8)

condiţia necesară producerii reacţiei de fuziune, unde: n - densitatea purtătorilor de sarcină p a r tic u le

m 3

;

τ - timpul de existenţă al plasmei [s]. Până în prezent s-au realizat reacţii de fuziune termonucleară

controlată cu τ de câteva secunde şi puteri de câteva mii de MW.

70

Confinarea plasmei are şi rolul de a o îndepărta de pereţii reactorului de fuziune. Această îndepărtare evită două situaţii neplăcute:

• plasma în contact cu un perete se răceşte şi îşi pierde proprietăţile;

• nu există un perete care să reziste la milioane de grade; materialele cunoscute până în prezent rezistă la max. 5000°C.

Există mai multe metode de confinare a plasmei: • confinarea electrică; • confinarea magnetică; • confinarea inerţială. Toate aceste metode de confinare sunt studiate în vederea realizării

reacţiei de fuziune controlată şi în continuare vor fi prezentate unele soluţii tehnice propuse.

Plasma este cea mai răspândită formă de materie din univers (peste 99,9%) ea fiind materia de bază din care sunt alcătuite stelele şi sistemul solar. Şi pe pământ se întâlneşte plasma sub diferite forme: flacăra de la

arderea combustibililor, arcul electric, fulgerul globular, descărcările electrice din tubul cu neon, aurora boreală, focurile sfântului Elm etc.

Primele metode de obţinere a plasmei în condiţii de laborator au pornit de la tuburile cu descărcări în gaze rarefiate. Această tehnică stă la baza iluminatului cu tuburi cu descărcări în gaze: tuburi cu neon, lămpi cu vapori de sodiu etc.

În prezent există o adevărată industrie bazată pe utilizarea plasmei în metalurgie (tăierea cu plasmă, topirea cu plasmă etc.), plasmă produsă în generatoare de plasmă numite plasmotroane, care produc plasma prin trecerea unui gaz peste un arc electric de curent continuu sau alternativ (Fig. 7.1).

Aceste plasmotroane se utilizează şi în unele reactoare de fuziune nucleară ca surse sau injectoare de plasmă. Dar plasma produsă de ele nu îndeplineşte condiţiile necesare (dar nu suficiente) producerii reacţiei de fuziune termonucleară, condiţii prezentate puţin mai înainte.

71

Fig. 7.1 Plasmotron Pentru declanşarea reacţiei de fuziune sunt necesare temperaturi de

milioane de grade. Una dintre metode este explozia unui conductor metalic prin care

trece un curent electric de intensitate mare. Acest lucru se obţine prin descărcarea unui condensator electric încărcat la câteva zeci de kV printr-o sârmă subţire de lungime de câţiva centimetri. Descărcarea durează aproximativ 10-5 s, obţinându-se o concentrare de energie foarte mare. Performanţe deosebite s-au obţinut încărcând firul cu combinaţii ale deuteriului şi tritiului. Temperaturile obţinute cu un fir subţire de aur sunt de câteva milioane de grade.

O altă metodă de a provoca o reacţie de fuziune este acelerarea la viteze foarte mari a nucleelor de hidrogen (protoni) sau de deuteriu în acceleratoare de particule.

7.3. REACTOARE TERMONUCLEARE DE FUZIUNE CU

CONFINARE MAGNETIC Ă Confinarea magnetică este prima metodă de confinare a plasmei

utilizată pentru realizarea reacţiei de fuziune nucleară controlată. Ea foloseşte incinte cu pereţii formaţi din câmpul magnetic al curenţilor care trec prin plasmă sau câmpuri create cu bobine suplimentare dispuse în mod corespunzător.

gaz

sursa electrica

~ câmp electric

plasmă

72

7.3.1 Confinarea plasmei prin efectul pinch Această metodă foloseşte pentru producerea plasmei o descărcare

electrică în gaze rarefiate şi încălzirea plasmei prin trecerea unui curent de foarte mare intensitate prin plasmă. Datorită câmpului magnetic propriu al acestui curent apare efectul de stricţiune al plasmei sau efectul pinch. El se explică foarte simplu, considerând curentul total format din mai multe fire de curent în acelaşi sens, între care se vor exercita forţe de atracţie conform legilor electrotehnicii, forţe care vor duce la contracţia coloanei de plasmă, la creşterea densităţii de curent în plasmă şi în acelaşi timp la izolarea plasmei de pereţii incintei, care este şi o termoizolare.

În figura 7.2 se prezintă un reactor de fuziune cu confinarea plasmei prin efectul pinch.

Fig. 7.2 Contracţia coloanei de plasmă a unei descărcări electrice

prin efectul pinch. Un exemplu tipic este cazul unui tub de diametru 10 cm şi

intensitatea curentului de descărcare 500 kA (sub formă de impuls). La o presiune de hidrogen de 0.1 torr s-a obţinut o temperatură de aproximativ 2 milioane de grade. Dar apar probleme de instabilitate a plasmei care constitue cele mai dificile obstacole în drumul spre sinteza termonucleară dirijată. Această instabilitate se manifestă prin comportări neprevăzute; putem aminti oscilaţii radiale, aşa încât plasma ajunge în contact cu pereţii recipientului. Instabilitatea plasmei din coloana arcului electric al unui fulger se poate observa în traseul în zig-zac al acestuia. Din acest motiv se iau măsuri suplimentare de confinare a plasmei utilizând o mare diversitate de capcane magnetice, soluţii care vor fi prezentate în continuare.

vid

+ -

73

7.3.2 Reactorul de fuziune cu oglinzi magnetice

U

Hm a x

Hm i n

Hm a x

Fig. 7.3 Capcană cu oglinzi magnetice Plasma din interiorul reactorului poate fi obtinută printr-un sistem

de descărcare în gaze în vid şi este încălzită prin efect Joule la trecerea curentului prin ea. Apare efectul Pinch de comprimare a plasmei datorită atracţiei dintre linii de curent de acelaşi sens. Particulele încărcate din plasmă, pozitive sau negative, dacă au o componentă radială a vitezei (vr) aceasta ar fi perpendiculară pe liniile de câmp magnetic, şi datorită forţelor Lorentz, particula va executa o mişcare circulară.(viteza perpendiculară pe forţă). Această mişcare combinată cu viteza de translaţie pe direcţia axei, dă naştere la o mişcare în spirală. În momentul în care o particula ajunge în dreptul unei bobine în zona de intensitate maximă a câmpului magnetic Hmax, acolo creşte viteza de rotaţie datorită creşterii forţei Lorentz:

r

vmBvqF

2⋅=⋅⋅= . (7.9)

De aici se obţine viteza de rotaţie:

vq B r

mr =⋅ ⋅

, (7.10)

care, se poate vedea, este proportională cu inducţia magnetică B. Dacă creşte viteza de rotaţie, creşte energia cinetică de rotaţie şi

scade energia cinetică de translaţie spre zero, deoarece întreaga energie cinetică a particulei în câmp magnetic nu variază, deci

74

particula îşi opreşte mişcarea pe direcţia axială şi nu poate trece prin interiorul bobinei aşa încât bobina acţionează asupra plasmei ca un veritabil dop magnetic.

Datorită fenomenului de reflexie la capete (viteza axială a particulei se anulează spre capete şi apoi îşi schimbă sensul), acest sistem a primit denumirea de capcană cu oglinzi magnetice.

A fost imaginată şi realizată şi o construcţie îmbunătăţită, prezentată în figura 7.4. Aceasta poartă denumirea de capcană magnetică combinată şi are rolul de a proteja pereţii incintei pentru cazul apariţiei instabilităţii plasmei. Câmpul magnetic este generat de două bobine şi de patru sau şase conductori metalici dispuşi simetric faţă de axa sistemului. În lipsa conductorilor sistemul reprezintă o capcană obişnuită cu oglinzi. Datorită prezenţei conductorilor metalici (în fiecare din conductoare curentul circulă în sens invers faţă de conductorul vecin), se creează un câmp magnetic a cărui intensitate este mare în apropierea conductoarelor (deci în exteriorul incintei) şi mică în axa sistemului. În aceste condiţii particulele rapide din plasmă sunt reţinute nu numai la capetele sistemului prin reflexii pe oglinzile magnetice, dar şi lateral, datorită câmpului magnetic suplimentar.

Acest sistem a fost experimentat pe plasme puţin concentrate (1010 particule pe cm3), nu se poate afirma că acest sistem va fi stabil şi la densităţi mult mai mari ale plasmei.

Fig. 7.4 Capcană magnetică combinată.

75

Dacă cele două bobine sunt alimentate cu curent în sens invers şi apropiate foarte mult, se obţine aşa numita capcană cu arcuri convexe.

Fig. 7.5 Capcană cu arcuri convexe Plasma aflată în centrul acestui sistem, unde câmpul magnetic este

cel mai scăzut, nu poate părăsi această zonă, deoarece atât pe direcţia axială cât şi pe direcţia radială câmpul creşte foarte mult şi funcţionează ca un dop magnetic. La acest sistem plasma nu poate fi încălzită prin curent electric, nu apare efectul pinch, şi trebuie introdusă din exterior de la un plasmotron.

Aceste sisteme de confinare magnetică nu asigură o etanşeitate perfectă, apărând pierderi de plasmă.

Din acest motiv, în ultima perioadă se studiază foarte mult un alt sistem, sistemul cu tor magnetic.

7.3.3. Instalaţia termonucleară cu tor magnetic (Tokamak) La acest sistem plasma formează un inel (tor) care reprezintă

secundarul unui transformator cu miez magnetic (secundarul în scurtcircuit).

Curentul secundar care circulă prin plasmă serveşte la încălzirea plasmei până la milioane de grade. Şi aici apare efectul pinch, dar pentru confinarea plasmei se mai prevede o înfăşurare uniform distribuită pe lungimea torului. Această înfăşurare induce în torul de plasmă curenţi circulari care vor fi respinşi de curenţii din înfăşurare spre centrul torului, realizându-se o confinare suplimentară a plasmei.

76

U1

U2

Fig. 7.6 Instalaţia termonucleară TOKAMAK. S-ar părea că acest sistem este cel mai favorabil şi cel mai etanş. În afară de aceste măsuri de confinare a plasmei, prin utilizarea

unui cilindru metalic exterior coloanei de plasmă se mai obţine un aliat în lupta împotriva instabilităţilor plasmei. După cum se ştie, atunci când un conductor cu plasmă se apropie de o suprafaţă metalică, se induce în metal un curent electric care are tendinţa de a respinge curentul electric din plasmă.

Instalaţiile Tokamak sunt studiate în toată lumea deşi au fost dezvoltate pentru prima dată în fosta URSS, dar încă nu s-au obţinut plasme de milioane de grade şi un timp de viaţă mulţumitor.

Un dezavantaj al lor este consumul foarte mare de energie şi materiale introdus de construcţia bobinelor şi miezului de fier. Aceşti electromagneţi de curent alternativ au greutăţi de zeci şi sute de tone şi construcţia devine eficientă abia dacă sunt realizaţi în tehnologie criogenică.

Un inconvenient al geometriei toroidale este legat de fenomenul separării sarcinilor electrice datorită neomogenităţii câmpului magnetic (efectului de bobină). Acest efect de separare poate fi corectat prin modificarea formei torului, dîndu-i acestuia o formă de opt şi folosind două circuite megnetice (fig. 7.7). Această familie de instalaţii a primit denumirea de Stellarator.

77

Fig. 7.7 Cameră toroidală în formă de opt.

7.4. CONFINAREA INERŢIAL Ă A PLASMEI Reactoarele cu confinare inerţială a plasmei se bazează pe inerţia

plasmei pentru a realiza confinarea ei, nemaifiind nevoie de câmpuri magnetice. În această metodă, căldura se realizează prin focalizarea pe o minusculă granulă de deuteriu-tritiu solid a unor fascicule laser, aşa încât încălzirea nucleelor să aibe loc într-un timp foarte scurt, în care inerţia să împiedice expansiunea plasmei. Datorită utilizării laserului, această metodă mai poartă şi numele de fuziunea laser.

În interiorul reactorului, în care se află vid, se introduce periodic o ţintă (capsulă) formată din deuteriu şi tritiu şi învelită într-un înveliş. Asupra acestei ţinte cade un fascicul laser de scurtă durată (puls sau impuls). Acest fascicul încălzeşte capsula la milioane de grade favorizând producerea de reacţii termonucleare de fuziune. Plasma care ia naştere prin evaporarea capsulei, încălzindu-se brusc, se destinde, fiind proiectată spre exterior şi prin efect de recul, analog celui ce propulsează o rachetă, se produce o implozie cu simetrie sferică a combustibilului D-T. În centrul de convergenţă al imploziei apar densităţi şi temperaturi suficient de mari pentru amorsarea reacţiei termonucleare.

Cheia funcţionării acestor reactoare constă în realizarea acestor ţinte de deuteriu-tritiu . Există multe tehnologii de realizare a acestor microsfere, multe din ele ţinute secret. Majoritatea folosesc sfere de D-T pline sau goale în interior, având învelişul format din mai multe straturi. Un strat exterior, dintr-un material cu Z mic, absoarbe radiaţia laser şi explodează ca urmare a creşterii bruşte de temperatură. Această explozie creează o undă de şoc cu efect de compresie asupra materialului cu Z mare aflat mai la interior.

78

Materialul cu Z mare are atât rolul de a închide zona în care are loc reacţia de fuziune cât şi rolul de piston inerţial, de amplificare a efectului imploziei.

Natura ciclică a exploziilor provoacă gradienţi foarte mari de temperatură şi deci foarte violente contracţii termoplastice. Ca urmare incintele acestor reactoare se construiesc din niobiu, molybden sau vanadiu. Un exemplu de reactor este dat în figura 7.8.

Acesta este un reactor de laborator, răcit cu litiu topit, dar care nu este prevăzut cu facilităţi de regenerare a tritiului.

L i t o p i tL i t o p i t

L i t o p i t

S p r e s c h im b ã t o r u ld e c ã l d u r ã

I n t r o d u c e r e a ţ i n t e l o r d e D - T

Fig. 7.8 Proiectul unui reactor de confinare inerţială utilizând o

inducţie magnetică auxiliară. De obicei se prevăd mai multe fascicule laser pentru a bombarda

capsula de combustibil nuclear cât mai simetric. Pentru a reduce ciocnirile particulelor încărcate cu pereţii

cilindrici se introduce o bobină suplimentară care forţează particulele încărcate să se mişte spre cele două conuri răcite cu litiu topit. Totuşi neutronii care se formează nu sunt influenţaţi de câmpul magnetic şi ei lovesc şi pereţii cilindrului cedându-le energie, de unde este extrasă tot cu litiu topit. Deşi pereţii incintei se realizează din material înalt refractar (molibden, niobiu, zirconiu), totuşi aceşti pereţi se erodează foarte repede, această soluţie fiind o soluţie de laborator. Această soluţie constructivă nu permite supragenerarea tritiului.

O soluţie care permite supragenerarea tritiului va fi prezentată în continuare.

79

S T

S T

R T

P T

L i t o p i t

Fig. 7.9 Reactor de fuziune termonucleară cu regenerarea tritiului.

Acest tip de reactor cu confinare inerţială are o formă sferică (diametrul de 3-5 m). Sfera are pereţii din material refractar (molibden). În ea se introduce litiu topit prin două ajutaje dispuse tangenţial formând pe pereţii sferei un strat de litiu topit care se mişcă după o spirală şi se scurge prin partea inferioară a sferei. Prin partea superioară se introduc ţinte de deuteriu şi tritiu, mai mulţi laseri îndreptaţi spre centrul sferei bombardează aceste ţinte producând reacţii termonucleare de fuziune în condiţiile unei plasme confinate prin inerţie.

Neutronii care iau naştere în urma reacţiei termonucleare lovesc învelişul interior al sferei din litiu topit, îi cedează energie cinetică (produsă în urma reacţiei de fuziune) şi produc, de asemenea, fisiunea litiului în tritiu şi heliu. Litiul topit cu conţinut de tritiu fabricat în acest mod îşi cedează energia termică într-un schimbător de căldură producând abur, folosit la producerea de energie electrică, apoi este preluat de pompele P.T. şi trimis la ajutaje printr-un separator de tritiu S.T. format cu membrane poroase din niobiu. Tritiul separat este dus la un rezervor de tritiu şi de acolo la sistemul care formează amestecul deuteriu - tritiu şi ţintele care vor fi introduse în reactor.

80

La un reactor nuclear cu confinarea inerţială a plasmei, reactoare numite şi reactoare cu laser, puterea necesară laserului este, de obicei, foarte mare, comparabilă cu puterea produsă.

Reactorul devine eficient numai dacă are un bilanţ energetic pozitiv, adică:

energia electrică produsă ≥ energia consumată de laser (sursă) sau

( )E EE

S fuz cS+ ⋅ ≥η η , (7.11)

unde: ES – energia consumată de sursă (laser); Efuz – energia produsă prin fuziune; ηC - randamentul de conversie a energiei termice în energie electrică; η - randamentul de conversie al energiei electrice în energia laserului.

Reactorul este caracterizat de factorul de multiplicare M dat de relaţia:

ME

Efuz

S

= . (7.12)

De aici apare condiţia:

11

+ ≥⋅

Mcη η

, (7.13)

de unde luând pentru randamente valori recunoscute rezultă:

Mc

≥⋅

−1

1η η ;

1

0 7 0 31 4

, ,⋅− ≈ . (7.14)

Prin urmare, doar dacă prin fuziune se produce de patru ori mai multă energie decât consumă laserul ,devine eficientă realizarea unui astfel de reactor.

Aceste reactoare cu confinare inerţială se pot realiza şi în alte variante decât cu utilizarea laserilor. Se pot utiliza sisteme de accelerare a ionilor grei sau fascicole de electroni, ţinta realizându-se în mod similar. În prezent aceste metode se pare că sunt cele mai cercetate în ţările avansate ale lumii.

81

7.5 FUZIUNEA LA RECE În problema energiei termonucleare există şi unele ipoteze care

promit să elimine limitările tehnologice impuse de temperaturile extrem de ridicate cerute de amorsarea reacţiei de fuziune, acţionând asupra moleculei de deuteriu pe alte căi.

Molecula de deuteriu este diatomică, cele două nuclee folosind în comun doi electroni. Se încearcă modificarea moleculei de deuteriu, înlocuind electronii periferici cu alţi leptoni de masă mai mare (de ex. miuoni). În acest caz distanţa dintre nuclee s-ar reduce cu un factor egal cu cel al creşterii masei leptonilor. Apropiind nucleele ar creşte posibilitatea reacţiei de fuziune. La Institutul de tehnologie din California s-a sugerat înlocuirea electronilor cu cuarci, particule cu sarcini electrice fracţionare (-1/3, -2/3 din e). Aceştia au masa mai mare decât a miuonilor şi ar putea cataliza reacţia de fuziune nucleară, aşa încât să se producă şi la temperaturi obişnuite.

Experienţe privind realizarea fulgerului globular în laborator [8], atestă realizarea unor randamente de 300%, adică se produce de trei ori mai multă energie decât se consumă, explicând sporul de energie pe seama unor reacţii neutrono-nucleare, care ar avea loc la temperaturi scăzute (doar mii de grade nu milioane de grade). Dar aceste afirmaţii nu sunt încă confirmate din surse autorizate.

Dar cea mai spectaculoasă afirmaţie a fost cea a doi cercetători americani de la Universitatea din Utah [9], Martin Fleischmann şi Stanley Pons, care în primăvara lui 1989 au anunţat că pot obţine energie în urma fuziunii atomilor de hidrogen la temperatura ambiantă, fuziunea la rece. Firma japoneză de automobile Toyota le-a acordat ajutor material celor doi cercetători americani, punându-le la dispoziţie un laborator de 4000 m2. Procedeul folosit de ei se baza pe introducerea unui electrod de paladiu (un metal preţios) într-o soluţie de apă grea. După doi ani de muncă au obţinut 150 W prin aplicarea a 50 W, timp de 100 de ore, adică o triplare a energiei consumate. S-a încercat la Grenoble în Franţa, la cererea Comisariatului Francez de Energie Atomică (CEA), să se refacă experimentul lui Pons şi Fleischmann, dar rezultatele au fost nule. Francezii au experimentat şi celula lui Patterson: un cilindru de sticlă umplut cu apă grea în care

82

erau introduse microsfere metalice, a rezultat o creştere de energie mai mare de 300% şi observaţia că fenomenul avea loc şi cu apă simplă. Sistemul cu apă simplă şi electrozi de Nichel a fost pus ulterior la punct de cercetătorul Randall Mils de la Institutul de Tehnologie din Massachusets. Oamenii de ştiinţă consideră reuşitele experimentale erori de măsurare calorimetrică. Iar cei care s-au ocupat de acest subiect, în prezent excelează prin tăcere.

Deşi oamenii de ştiinţă afirmă că fuziunea la rece nu poate avea loc, totuşi în multe locuri din lume acest fenomen este studiat.

Cercetări publice: • Franţa: CEA a finanţat încă de la începutul anului 1994

cercetările de la Grenoble. • Japonia: în 1993, Ministerul Industriei a investit 30 milioane

dolari pentru patru ani în două laboratoare şi patru grupe de cercetare. • SUA: marina militară finanţează două laboratoare (California

şi Washington DC. • Italia: din 1991, Institutul National de Fizică colaborează cu

Universităţile din Bologna, Roma şi Sienna. • Alte ţări: Canada, Rusia. Cercetări particulare: • Franţa: firma Shell finanţează lucrările găzduite de

Conservatorul de Arte şi Meserii. • Japonia: Mitsubishi şi Toyota au echipe care cercetează acest

fenomen. • SUA: consorţiile EPRI şi ENECHO finanţează peste zece

echipe, dintre care două în Rusia. • Italia: grupul Fiat finanţează echipa din Sienna. O asemenea descoperire dacă se confirmă din surse oficiale, ar

duce cu adevărat la o revoluţie în energetică.

83

BIBLIOGRAFIE 1. Lazarev P., Energia şi Resursele Energetice, ET, Bucureşti 1962. 2. Popovici C., Reacţia Termonucleară şi Energetica Viitorului, Editura

Enciclopedică Română, Bucureşti 1969. 3. Ursu I., Fizica şi tehnologia materialelor nucleare, Ed. Academiei,

Bucureşti 1982. 4. Nitu V., Probleme Contemporane ale Dezvoltării Energeticii, Editura

Ştiinţifică, Bucureşti 1975. 5. Folescu G., Aventura Surselor de Energie, Editura Albatros, Bucureşti

1981. 6. Mercea V. s.a., Investigaţii în Domeniul Energiei, Editura Dacia, Cluj-

Napoca 1982. 7. Lazăr I. s.a., Dezvoltarea Producţiei de Energie, Editura Dacia, Cluj-

Napoca 1984. 8. Olteanu V., Fuziunea Neutrono-Nucleară în Formarea Fulgerului

Globular ca Sursă Nouă de Energie în Industrie, lucrare la sesiunea a XI-a de Comunicări şi Referate IM-Aiud, Aiud Iunie 1988.

9. Marinaş C., Fuziunea la Rece, Rev. Ştiinţa şi Tehnica Nr. ½ 1996.

* * *