Fuziunea este procesul prin care două nuclee atomice ușoare se combină, formând un nucleu mai greu și eliberând energie. Dispozitivele care utilizează acest proces sunt cunoscute sub numele de reactoare de fuziune. Producția de energie prin fuziune este o metodă experimentală de generare a energiei electrice utilizând căldura eliberată de reacțiile de fuziune nucleară. Energia de fuziune, adesea considerată „Sfântul Graal al energiei”, reproduce procesul natural al Soarelui de fuzionare a nucleelor atomice pentru a elibera cantități masive de energie. Principala provocare a fost întotdeauna stabilitatea, menținerea într-un spațiu limitat a plasmei ultra-fierbinți suficient de mult timp pentru a susține fuziunea.
Pe scurt, reacțiile de fuziune necesită combustibil într-o stare plasmatică și un mediu confinat (limitat), cu temperatură și presiune ridicate și un timp de confinare suficient. În interiorul stelelor, gravitația asigură condițiile pentru fuziunea izotopilor de hidrogen. Reactoarele experimentale folosesc în schimb deuteriu și tritiu, izotopi mai grei ai hidrogenului.
Reacția de fuziune nucleară și generarea de energie
Atomii nu se odihnesc niciodată, cu cât sunt mai fierbinți, cu atât se mișcă mai repede. În miezul Soarelui, unde temperaturile ating 15.000.000°C, atomii de hidrogen se află într-o stare constantă de agitație. Pe măsură ce se ciocnesc la viteze foarte mari, forțele de respingere electrostatică naturală care există între sarcinile pozitive ale nucleelor lor sunt depășite și atomii fuzionează. Fuziunea atomilor de hidrogen produce un element mai greu, heliul și se eliberează un neutron.
Masa atomului de heliu rezultat nu este însă suma exactă a atomilor inițiali, întrucât se pierde o parte din masă și se câștigă cantități mari de energie, după cum descrie faimoasa formulă a lui Einstein, E=mc²: cantitatea mică de masă pierdută (m), înmulțită cu pătratul vitezei luminii (c²), are ca rezultat o valoare foarte mare (E), care reprezintă cantitatea de energie generată de o reacție de fuziune.
În secolul XX, știința a identificat cea mai eficientă reacție de fuziune în laborator ca fiind reacția dintre doi izotopi ai hidrogenului – deuteriu (D) și tritiu (T). Această reacție de fuziune produce cel mai mare câștig de energie la cele mai „scăzute” temperaturi. Cu toate acestea, procesul necesită temperaturi de 150.000.000°C, de zece ori mai mari decât în cazul reacției naturale de fuziune a hidrogenului care are loc în interiorul Soarelui.
Deuteriul este abundent pe Pământ, fiind cunoscut sub denumirea de „apă semigrea”. Tritiul, care se descompune și are un timp de înjumătățire de 12 ani, trebuie produs. Conceptele de reactoare de fuziune presupun că una dintre componente să fie o „pătură de reproducere” din litiu care înconjoară reactorul.
În reacția de fuziune deuteriu-tritiu, neutronii de înaltă energie sunt eliberați împreună cu atomii de heliu. Aceste particule neutre din punct de vedere electric străbat câmpul magnetic care limitează plasma și sunt absorbite de stratul protector care acoperă pereții înconjurători. Întrucât modulele de strat protector conțin litiu, are loc o reacție chimică prin care fiecare neutron este absorbit de un atom de litiu, recombinându-se într-un atom de tritiu și un atom de heliu. Tritiul poate fi apoi îndepărtat din stratul protector și reciclat în plasmă drept combustibil. Stratul de litiu protejează exteriorul reactorului de fluxul de neutroni.
Energia produsă prin fuziunea atomilor din plasmă este absorbită sub formă de căldură în pereții vasului. La fel ca o centrală electrică convențională, o centrală electrică de fuziune va folosi această căldură pentru a produce abur și apoi electricitate prin intermediul turbinelor și generatoarelor.
Prezentare generală a tokamakurilor și stelaratoarelor
Un tokamak este o mașină care generează și reține plasmă folosind câmpuri magnetice în formă toroidală (de gogoașă). Într-un tokamak, bobinele câmpului magnetic limitează deplasarea particulelor de plasmă pentru a permite plasmei să atingă condițiile necesare fuziunii. Un set de bobine magnetice generează un câmp toroidal intens, direcționat longitudinal în jurul torului. Un solenoid central creează un al doilea câmp magnetic direcționat de-a lungul direcției poloidale, pe scurt în jurul torului. Cele două componente ale câmpului au ca rezultat un câmp magnetic răsucit care conține particulele din plasmă. Un al treilea set de bobine de câmp generează un câmp poloidal exterior care modelează și poziționează plasma.
Primul tokamak, T-1, a intrat în funcțiune în Rusia în 1958. Progresele ulterioare au dus la construirea reactorului de testare a fuziunii Tokamak la Laboratorul de Fizică a Plasmei Princeton și a Joint European Torus din Anglia, ambele atingând o putere record de fuziune în anii 1990. Aceste succese au motivat 35 de națiuni să colaboreze la tokamak-ul supraconductor ITER, care își propune să exploreze fizica plasmelor arzătoare, o plasmă încălzită în principal prin reacții de fuziune care implică ioni de plasmă termică. România este una dintre țările implicate în proiect, 38 dintre cei 1.200 de angajați din anul 2019 fiind români, inclusiv șeful de cabinet al directorul general al proiectului. De asemenea, specialiștii români au dezvoltat o nouă tehnologie pentru ranforsarea peretelui reactorului de fuziune, astfel încât să reziste plasmei fierbinți. Tehnologia de „pulverizare magnetronică combinată și implantare ionică” dezvoltată de Institutul Naţional pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi Radiaţiei, membru al Programului de Cercetare în domeniul Fuziunii Euratom, a fost aleasă drept cea mai bună „tehnică de acoperire” în ceea ce privește rezistența la sarcini termice mari.
- Tokamakurile pot susține curenți de plasmă la nivelul mega-amperilor, ceea ce este echivalent cu curentul electric din cele mai puternice fulgere.
- Recordul mondial pentru puterea de fuziune a fost atins în tokamak-ul JET din Anglia în decembrie 2021. JET a produs 59 de megajouli de energie, mai mult decât dublu față de recordul anterior stabilit în 1997.
- Solenoidul central al ITER din Franța va fi cel mai mare magnet supraconductor construit vreodată. Acesta va produce un câmp magnetic de 13 tesla, de 280.000 de ori mai mare decât câmpul magnetic al Pământului.
Modele de tokamak și stellarator
Un stellarator este un dispozitiv de fuziune care generează și reține plasmă folosind magneți externi. În absența curenților plasmatici toroidali, instabilitățile determinate de curent pot fi eliminate complet, împreună cu riscul de întreruperi care pot apărea în tokamakuri.
Modelele recente includ o modificare a configurației geometrice a torului. Prin răsucirea unui capăt al torului față de celălalt, se formează o configurație în formă de 8 în loc de una circulară, liniile magnetice apropiindu-se și depărtându-se de centrul torului. O particulă care orbitează aceste linii are o mișcare constantă față de axa minoră a torului, derivând într-o direcție pe jumătate dintr-o orbită și inversându-se pe cealaltă jumătate, astfel încât combustibilul rămâne prins suficient de mult timp pentru a atinge temperaturile necesare.
Diferențe cheie
Atât tokamakurile, cât și stelaratoarele sunt dispozitive concepute pentru fuziunea prin confinare magnetică, care își propune să reproducă procesele de fuziune care au loc în stele. Ambele utilizează câmpuri magnetice puternice pentru a confina (a limita răspândirea) plasma fierbinte, dar diferă prin design și funcționare.
Un tokamak folosește o combinație de câmpuri magnetice generate de un transformator și bobine externe pentru a confina (reține) plasma într-o formă toroidală, în timp ce un stellarator se bazează exclusiv pe magneți externi pentru a crea o configurație elicoidală a plasmei, fără a fi nevoie de curent plasmatic. Această diferență fundamentală afectează designul, funcționarea și stabilitatea lor în procesele de fuziune.
Design și structură
| Caracteristică | Tokamak | Stellarator |
| Formă | de gogoașă (toroidală) | toroidală răsucită |
| Câmp magnetic | generat de o combinație de câmpuri toroidale și poloidale | creat folosind bobine externe fără curent de plasmă |
| Curent plasmatic | necesită curent plasmatic indus | nu necesită curent plasmatic |
Funcționare și performanță
| Caracteristică | Tokamak | Stellarator |
| Stare echilibrată | dificil de menținut pentru perioade lungi | poate funcționa în stare staționară pe termen nelimitat |
| Perturbări | mai predispus la perturbări cauzate de curentul plasmatic | în general, se confruntă cu perturbări moderate |
| Densitatea plasmei | de obicei atinge o densitate plasmatică mai mare | în general, atinge o densitate plasmatică mai mică |
Avantaje și dezavantaje
| Aspect | Tokamak | Stellarator |
| Pro | geometrie simplă, design mai simplu | nu este nevoie de curent plasmatic, funcționare constantă |
| Contra | management complex al curentului, funcționare tranzitorie | dificil și costisitor de construit, modele unice de magneți |
În concluzie, deși ambele dispozitive vizează realizarea fuziunii nucleare, abordările și provocările lor diferă semnificativ. Tokamakurile sunt mai comune și au un design mai simplu, în timp ce stelaratoarele oferă avantaje în funcționarea în regim staționar, dar sunt mai complexe constructiv.
Avantajele energiei de fuziune
Energie abundentă: Fuzionarea atomilor într-un mod controlat eliberează de aproape patru milioane de ori mai multă energie decât o reacție chimică, cum ar fi arderea cărbunelui, petrolului sau gazelor, și de patru ori mai multă decât reacțiile de fisiune nucleară (la mase egale).
Fără CO₂: Fuziunea nu emite în atmosferă substanțe nocive precum dioxidul de carbon sau alte gaze cu efect de seră. Principalul său produs secundar este heliul, un gaz inert, netoxic.
Disponibilitate timp de milioane de ani: Fuziunea va necesita două elemente: deuteriu și tritiu. Deuteriul poate fi distilat din toate formele de apă, în timp ce tritiul va fi produs în timpul reacției de fuziune, pe măsură ce neutronii de fuziune interacționează cu litiul. Rezervele terestre de litiu ar permite funcționarea centralelor electrice de fuziune timp de peste 1.000 de ani, în timp ce rezervele marine de litiu ar satisface nevoile timp de milioane de ani.
Fără deșeuri radioactive cu viață lungă: Reactoarele nucleare de fuziune nu produc deșeuri nucleare cu activitate ridicată și viață lungă. Se anticipează că activarea componentelor dintr-un reactor de fuziune va fi suficient de scăzută pentru ca materialele să poată fi reciclate sau reutilizate în termen de 100 de ani, în funcție de materialele utilizate în „primul perete” orientat spre plasmă.
Risc limitat de proliferare: Fuziunea nu utilizează materiale fisionabile precum uraniul și plutoniul. În urma reacției de fuziune nu rezultă materiale îmbogățite care ar putea fi exploatate pentru a produce arme nucleare.
Fără risc de topire: Un accident nuclear de tip Fukushima nu este posibil într-un dispozitiv de fuziune. Este suficient de dificil să se atingă și să se mențină condițiile precise necesare pentru fuziune, iar dacă apare vreo perturbare, plasma se răcește în câteva secunde și reacția se oprește. Cantitatea de combustibil prezentă în vas la un moment dat este suficientă doar pentru câteva secunde și nu există riscul unei reacții în lanț.
Cost: Puterea de producție a unui reactor de fuziune preconizat pentru viitor ar fi probabil similară cu cea a unui reactor de fisiune (adică între 1 și 1,7 gigawați). Costul mediu pe kilowatt de electricitate nu poate fi însă extrapolat încă, deoarece acest lucru ar necesita experiența operațională, care va fi disponibilă doar după o funcționare de câțiva ani. Ca în cazul multor tehnologii noi, costurile vor fi mai mari la început, când tehnologia va fi nouă, și treptat mai puțin costisitoare, pe măsură ce producția pe scară largă va reduce costurile.
Mixul energetic ideal pentru planetă în viitor s-ar baza pe o varietate de metode de generare, în loc de o dependență mare de o singură sursă. Ca nouă tehnologie de generare a energiei electrice fără emisii de carbon, care nu produce deșeuri radioactive cu viață lungă, fuziunea ar aduce o contribuție pozitivă la provocările legate de disponibilitatea resurselor, reducerea emisiilor de carbon și eliminarea deșeurilor de fisiune și a problemelor de siguranță în exploatare.
Surse:
U.S. Department of Energy, DOE Explains…Tokamaks, energy.gov
ITER, What is Fusion?, iter.org
ITER, What is a tokamak?, iter.org
ITER, Advantages of fusion, iter.org
Proxima Fusion, Building stellarators to power the future, proximafusion.com
Wikipedia, Fusion power, wikipedia.org
Tom Wilson, Tim Bradshaw, Europe’s nuclear fusion potential draws record investment round, Financial Times, 11.06.2025
C. Ruset, E. Grigore, H. Maier, R. Neu, Combined Magnetron Sputtering and Ion Implantation – a High Energy Ion Assisted Deposition Method for Producing Nano-structurated Coatings, Processing and Product Manufacturing: Surface Engineering Using Hybrid Plasma Assisted PVD and CVD Technologies. Nanostructured Coatings, p. 549-561, 2007
Institutul Naţional pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi Radiaţiei, Proiecte internationale, inflpr.ro
Foto: wikipedia.org
