Fuziunea nucleară funcționează tehnologia care aspiră să ne rezolve nevoile de energie
Steve Cowley este una dintre autoritățile de top din lume fuziune nucleară. Am avut ocazia să-l întâlnesc nu cu mulți ani în urmă, la Madrid, în timpul uneia dintre conferințele pe care le oferă pe întreaga planetă pentru a disemina în ce măsură această tehnologie poate contribui la rezolvarea nevoile de energie umană.
Mesajul său este adânc. Este imposibil să-l ascultați fără a fi infectat de entuziasmul său și, mai presus de toate, fără a fi profund atras de fuziunea nucleară, a cărei apărător este puternic. Și, potrivit acestui fizician teoretic britanic, această tehnologie este singura care poate rezolva criza energetică în care suntem deja cufundați și care va continua să crească în următoarele decenii. Ea sau promisiunea lui? Energie curată, sigură și practic nelimitată. Dar pentru a face acest lucru, există încă multe provocări care trebuie rezolvate.
Nu totul nuclear este la fel
Înainte de a vedea cum funcționează fuziunea nucleară în orice detaliu, merită să ne oprim pentru a vedea cum sunt la fel. fuziunea și fisiunea nucleară, și, de asemenea, în ce fel diferă. Au ceva în comun evident: ambele sunt reacții nucleare al căror obiectiv este de a elibera energia conținută în nucleul unui atom.
În ambele cazuri, energia este eliberată sub formă de căldură și, în cadrul centralelor nucleare, este transferată în apa conținută într-un rezervor imens pentru a genera vapori de apă la temperaturi ridicate, care vor fi utilizate imediat pentru a conduce un set de turbine a căror mișcare va genera energie electrică pe care le vom folosi mai târziu.
Dacă ne uităm la acest proces, putem vedea că acesta îndeplinește în mod clar Principiul conservării energiei despre care am auzit cu toții, cel puțin când eram la școală, și că știm datorită muncii oamenilor de știință precum Thales din Milet, Galileo, Leibniz sau Newton, printre altele. Această lege spune că energia nu este nici creată, nici distrusă, ci pur și simplu transformată dintr-o formă de energie în alta. O consecință importantă a acestui principiu este că energia totală a unui sistem rămâne constantă, deci este aceeași înainte și după fiecare transformare.
Dacă ne întoarcem la ceea ce contează cu adevărat pentru noi, la centrala noastră nucleară, putem vedea că energia conținută în nucleul unui atom este eliberată sub formă de căldură (astfel obținem energie termală), indiferent dacă recurgem la procedura de fisiune sau fuziune nucleară. Aceasta este tocmai funcția reactorului nuclear: transformarea energiei nucleare conținute în atomi în energie termică.
Chiar sub această ultimă formă de energie determină evaporarea unei părți a apei din rezervor, aparând abur la presiune ridicată și, prin urmare, dotată cu Energie kinetică, care este cel posedat de corpuri datorită mișcării lor. Energia cinetică a vaporilor de apă în mișcare este transformată în energie mecanică prin transformarea turbinelor centralei nucleare și, în cele din urmă, este transformată din nou, de data aceasta în energie electrică, datorită funcționării unui generator, care este responsabil pentru producerea de energie electrică care ajunge la casele noastre, printre alte locuri.
Două strategii diferite
După cum tocmai am văzut, funcția imediată a unui reactor care folosește fisiunea nucleară și a unui reactor de fuziune nucleară este exact aceeași: să producă vapori de apă la temperaturi ridicate, la sfârșitul procesului și prin transformările pe care tocmai le-am văzut ., generează energie electrică.
În mod curios, principiul de bază al funcționării centralelor electrice care utilizează petrol, cărbune sau gaz ca combustibil este exact același: încălzirea apei dintr-un rezervor pentru a produce abur și a alimenta o turbină.
Toate reactoarele nucleare comerciale pe care le folosim astăzi folosesc fisiune, nu fuziune nucleară.
Aici se încheie asemănările dintre fisiune și fuziunea nucleară. Centralele nucleare pe care le folosim în prezent recurge la fisiunea nucleară, și nu fuziunea. Fără excepție. Și asta pentru că, deși reactoarele experimentale ne-au arătat deja că fuziunea nucleară funcționează, este un proces atât de complex încât, așa cum vom vedea mai târziu, fizicienii și inginerii nu au găsit încă o modalitate de a obține reacția fuziunii care se comportă stabil pentru o perioadă lungă de timp.
Acest lucru implică faptul că fuziunea nu poate fi susținută pentru o perioadă foarte lungă de timp cu un bilanț energetic pozitiv (se obține mai multă energie ca rezultat al procesului decât este necesar pentru a investi pentru a începe) un mod complet controlat.
Și faptul este că, dacă obiectivul fisiunii nucleare este de a obține energie care „împarte” nucleul unui atom, cel al fuziunii nucleare este să facă acest lucru unind două miezuri ușoare pentru a forma una mai grea. Și până în prezent știm cu mult mai multă precizie cum să realizăm fisiunea într-un mod controlat.
Fisiunea nucleară, în detaliu
După cum am văzut câteva linii de mai sus, acest proces, care este utilizat în prezent în centralele nucleare, constă din rupe nucleul unui atom în două sau mai multe nuclee pentru a elibera o parte din energia pe care o conține. Dar nu putem fragmenta nucleul niciunui atom. În teorie se poate face, dar în practică interesantul este să folosești un atom relativ ușor și ieftin de rupt. Iar cel pentru uraniu 235 este.
Uraniul este un element chimic pe care îl putem găsi în natură concentrații foarte scăzute, de obicei pe roci, sol și apă. Prin urmare, obținerea sa este costisitoare și tratamentul complex, deoarece necesită efectuarea unor procese chimice capabile să o separe de celelalte elemente și impurități cu care trăiește de obicei. Are 92 de protoni și tot atâtea electroni care orbitează în jurul nucleului, iar acesta din urmă încorporează, pe lângă protoni, între 142 și 146 de neutroni.
Este important să ne amintim că nucleul unui atom este de obicei format dintr-un anumit număr de protoni și neutroni (deși nu întotdeauna: protiul, cel mai abundent izotop de hidrogen, are un singur proton și nu are neutroni în nucleul său), de asemenea ca de către electronii care orbitează în jurul său. Faptul că numărul de neutroni din nucleul uraniului poate varia, așa cum tocmai am văzut, ne spune asta există mai mulți izotopi ale acestui element chimic, care nu sunt altceva decât atomi cu același număr de protoni și electroni, ci numere diferite de neutroni.
Motivul pentru care un atom de uraniu 235 este utilizat în reactoarele de fisiune nucleară, și nu un alt izotop al acestui element sau al oricărui alt element chimic, este acela că atunci când nucleul său este bombardat cu un neutron (un proces cunoscut sub numele de fisiune indusă) uraniul 235 este transformat în uraniu 236, care este un element instabil. Acest lucru înseamnă pur și simplu că uraniul 236 nu poate rămâne în starea sa actuală mult timp, așa că se împarte în două nuclee, unul din bariu 144 și celălalt din kripton 89 și, de asemenea, emite doi sau trei neutroni.
Și aici vine lucrul cu adevărat interesant: suma maselor nucleelor de bariu 144 și a criptonului 89 este puțin mai mică decât cea a nucleului de uraniu 236 din care provin (aproximativ 0,1% din masa inițială „dispare”). Unde s-a dus masa lipsă? Există un singur răspuns: a fost transformat în energie. Formula E = mc 2, probabil cea mai populară din istoria fizicii, leagă masa și energia și ceea ce spune este pur și simplu că o anumită cantitate de masă este egală cu o anumită cantitate de energie, chiar dacă masa este în repaus.