În ultimii cinci ani, finanțarea din sectorul privat pentru energia pe baza fuziunii nucleare a explodat. Suma totală investită se apropie de 10 miliarde de dolari americani, provenind dintr-o combinație de capital de risc, investitori în tehnologie avansată, corporații din energie și bani guvernamentali. Majoritatea companiilor implicate (și a capitalului) se află în Statele Unite, deși activitatea crește și în China și Europa.
De ce s-a întâmplat acest lucru? Există mai mulți factori: nevoia tot mai mare pentru energie fără carbon, progresele tehnologice și de înțelegere – cum ar fi noi materiale și metode de control folosind inteligența artificială (IA), un ecosistem în creștere de companii private și un val de capital venit de la miliardarii din tehnologie. Toate acestea se bazează pe progrese demonstrate în teorie și experimente din știința fuziunii nucleare.
Unele companii fac acum afirmații îndrăznețe că vor începe să furnizeze energie comercială în câțiva ani.
Ce este fuziunea nucleară?
Fuziunea nucleară presupune combinarea atomilor ușori (de obicei hidrogen și izotopii săi grei, deuteriu și tritiu) pentru a forma un atom mai greu, proces care eliberează energie. Este opusul fisiunii nucleare (procesul folosit în centralele nucleare existente), în care atomii grei se „sparg” în atomi mai ușori.
> Citește și: Care-i diferența dintre fuziunea și fisiunea nucleară?
Controlul fuziunii pentru producerea de energie este dificilă. Natura obține reacții de fuziune în nucleele stelelor, la densități și temperaturi extrem de ridicate.
Densitatea plasmei din nucleul Soarelui este de 150 de ori mai mare decât cea a apei, iar temperatura este de aproximativ 15 milioane de grade Celsius. Aici, atomii obișnuiți de hidrogen fuzionează pentru a forma în cele din urmă heliu.
În stânga, fuziunea nucleară - doi atomi uşori se unesc şi eliberează energie. În dreapta, fisiunea nucleară - un atom „greu” se divide şi eliberează energie.
Totuși, fiecare kilogram de hidrogen produce doar aproximativ 0,3 wați de putere, deoarece „secțiunea eficace de reacție” (probabilitatea ca atomii de hidrogen să fuzioneze) este foarte mică. Totuși, Soarele este enorm și masiv, astfel încât puterea totală generată (10^26 wați) și durata arderii (10 miliarde de ani) sunt astronomice.
Fuziunea formelor mai grele de hidrogen (deuteriu și tritiu) are o secțiune eficace de reacție mult mai mare, ceea ce înseamnă că fuzionează mai ușor. Secțiunea eficace atinge un maxim la o temperatură de zece ori mai mare decât cea a nucleului Soarelui: aproximativ 150 de milioane °C.
Singura modalitate de a controla continuu plasma la temperaturi atât de ridicate este un câmp magnetic extrem de puternic.
Creșterea randamentului
Până acum, reactoarele de fuziune s-au chinuit să producă în mod constant mai multă energie decât cea folosită pentru a declanșa reacția de fuziune.
Cel mai comun design pentru reactoarele de fuziune folosește o formă toroidală, asemănătoare unui colac.
Cel mai bun rezultat obținut folosind fuziune deuteriu–tritiu în designul toroidal de tip „tokamak” a fost obținut la reactorul european JET în 1997, unde energia produsă a fost de 0,67 ori energia introdusă. (Totuși, reactorul japonez JT-60 a obținut un rezultat bun folosind doar deuteriu, ceea ce sugerează că ar ajunge la o valoare mai mare dacă ar folosi tritiu.)
Eficiențe mai mari au fost demonstrate în impulsuri scurte. Acest lucru s-a realizat pentru prima dată în 1952 în testele cu arme termonucleare, iar într-un mod mai controlat, în 2022, folosind lasere de mare putere.
Proiectul ITER
Proiectul public cu cele mai mari șanse de a demonstra fuziunea este proiectul ITER.
ITER, cunoscut anterior ca Reactorul Termonuclear Experimental Internațional, este un proiect colaborativ al peste 35 de națiuni care urmărește să demonstreze fezabilitatea științifică și tehnologică a fuziunii nucleare ca sursă de energie.
ITER a fost conceput pentru prima dată în 1985, la un summit între liderii SUA și ai URSS, Ronald Reagan și Mihail Gorbaciov. Proiectarea reactorului și alegerea unui amplasament au durat aproximativ 25 de ani, iar construcția a început la Cadarache, în sudul Franței, în 2010.
Proiectul a înregistrat unele întârzieri, dar se așteaptă ca operațiunile de cercetare să înceapă în 2034, iar funcționarea cu fuziune deuteriu–tritiu să fie programată pentru 2039.
Dacă totul merge conform planului, ITER va produce circa 500 de megawați de putere de fuziune, pornind de la doar 50 MW de încălzire externă. ITER este un experiment științific și nu va genera electricitate. Totuși, pentru context, 500 MW ar fi suficienți pentru a alimenta poate 400.000 de gospodării în SUA.
Tehnologii noi, designuri noi
ITER folosește magneți superconductori care funcționează la temperaturi apropiate de zero absolut (aproximativ –269°C). Unele designuri noi profită de progresele tehnologice care permit câmpuri magnetice puternice la temperaturi mai ridicate, reducând costul refrigerării.
Un astfel de design este tokamakul SPARC al companiei private Commonwealth Fusion System, care a atras aproximativ 3 miliarde USD în investiții.
SPARC a fost proiectat folosind simulări sofisticate ale comportamentului plasmei, multe dintre acestea folosind acum IA pentru a accelera calculele. IA ar putea fi folosită și pentru a controla plasma în timpul operațiunilor.
O altă companie, Type I Energy, urmărește un design numit „stelarator”, care folosește un sistem complex de bobine asimetrice pentru a produce un câmp magnetic răsucit. Pe lângă superconductori de înaltă temperatură și tehnici avansate de fabricație, Type I Energy folosește calcul de înaltă performanță pentru a proiecta optim mașinile în vederea performanței maxime.
Ambele companii susțin că vor lansa energie de fuziune comercială până la mijlocul anilor 2030.
În Regatul Unit, un parteneriat între industrie și guvern urmărește realizarea Spherical Tokamak for Energy Production, o centrală-pilot de fuziune propusă pentru finalizare până în 2040.
Între timp, în China, o companie de stat din domeniul fuziunii construiește Tokamakul Superconductor Experimental de Plasmă Arzătoare, care își propune să demonstreze un câștig de putere de cinci ori. „Prima plasmă” este programată pentru 2027.
Când?
Toate proiectele care plănuiesc să producă energie din fuziune folosind câmpuri magnetice în formă de inel sunt foarte mari, generând în jur de un gigawatt de putere. Acest lucru are motive fundamentale: dispozitivele mai mari au o capacitate de izolare a plasmei mai bună, iar mai multă plasmă înseamnă mai multă energie.
Se poate face acest lucru într-un deceniu? Nu va fi ușor. Prin comparație, proiectarea, amplasarea, conformitatea cu reglementările și construcția unei centrale pe cărbune de 1 GW (o tehnologie bine înțeleasă, matură, dar indezirabilă) ar putea dura până la un deceniu.
Un studiu coreean din 2018 a indicat că doar construcția unei centrale pe cărbune de 1 GW ar putea dura mai mult de 5 ani. Fuziunea este o construcție mult mai dificilă.
Proiectele de energie prin fuziune din sectorul privat sau parteneriatele public-private cu astfel de termene ambițioase ar avea randamente ridicate, dar și un risc mare de eșec. Chiar dacă nu își ating obiectivele înalte, aceste proiecte vor accelera totuși dezvoltarea energiei prin fuziune nucleară prin integrarea de tehnologii noi și diversificarea riscului.
Multe companii private vor eșua. Acest lucru nu ar trebui să descurajeze publicul în a sprijini fuziunea. Pe termen lung, avem motive solide să urmărim evoluția tehnologiei obținerii energiei pe baza fuziunii nucleare și să credem că tehnologia poate funcționa.
Traducere după Billions in private cash is flooding into fusion power de Matthew Hole, profesor, Mathematical Sciences Institute and School of Computing, Australian National University.
