Un pod prea îndepărtat? (p1) Fuziunea „pe plus” / Con-fuziunea

În sens strict, Pământului nu-i lipsesc resursele energetice inepuizabile. Clasicele hidro și eoliană au precedat, istoric, combustibilii fosili și hidrocarburile în ușurarea sarcinilor grele: morile de vânt și cele de apă stau mărturie! Oamenii din zorii modernității erau suficient de inteligenți încât să înțeleagă resursele rezonabile tehnic și economic. Doar ca observație: diametrele rotoarelor lovite de apă sau aer erau cam aceleași cu cele ale turbinelor de azi!

Fezabilitatea și randamentul - care vor fi evocate în mod special în acest episod - au guvernat dezvoltarea fizică a tuturor sistemelor, ponderând prin limitări caracterul inepuizabil. Regenerabilele abia dacă acoperă azi 6-7% din consumul mondial (dar 17% din cel european), cu enorme dezechilibre datorate, desigur, condițiilor de relief și hidro zonale. Chiar și Europa, fără Norvegia și Suedia, ar cădeadramatic la regenerabile.

Un exemplu de reprezentare interactivă a resurselor energetice valorificate începând cu anii 1800 poate fi examinat la adresa https://ourworldindata.org/ energy-mix. Alarmele decimării ireversibile a rezervelor de cărbuni și hidrocarburi, asurzitoare prin 1970-80, s-au domolit, treptat, odată cu confirmarea, poate paradoxală, în timp, a unor noi depozite liniștitoare. Argumentele geopolitice și climatice au devenit, însă, prevalente, astfel încât obținerea energiei „prin ardere” este, cel puțin declarativ, nedorită.

Adăugarea, la fezabilitate și randament, a criteriului Eco plasează umanitatea în grav deficit de curățenie - și nu numai la producerea energiei. Nesurprinzător deci, idealul „sursei-minune”, abundente, eficiente, inepuizable și relativ puțin poluante a fost explorat din urmă cu decenii. Fuziunea nucleară a părut și rămâne, declarativ, o potențială soluție a viitorului.

Soarele - reactorul suprem! Zece milioane de grade hiper-energiziează atomii de hidrogen, disociind electronii de nucleele-protoni în așa-numita stare de plasmă. Mai este nevoie de un ingredient: colosala presiune creată de masa-gravitația Stelei noastre, care forțează protonii să se apropie, în contra repulsiei electrice. Până când, la distanțe infime, altă forță elementară - atracția nucleară - prevalează, provocând fuziunea. Desigur, e ceva mai complicat.

Oamenii de știință sunt siguri în afirmația (larg mediatizată) că fuziunea este reacția dominantă în Soare și stele, implicând doar hidrogenul de bază, nu izotopi. De ce n-ar fi practicabilă și pe Pământ? Pe scurt - fiindcă nu pot fi reproduse condițiile solare (mai ales gravitația) și succesiunea fuzionară până la heliu. De ce nu ne mulțumim pe Terra cu fuziunea H-H, cu producere de energie și deuteriu? Pe scurt - fiindcă este nesatisfăcătoare energetic, cvasiimposibilă și nesustenabilă tehnologic. Abandonată.

Dar, o metodă realizabilă pentru eliberarea energiei prin fuziune arată simplu și este popularizată demult: ciocnirea puternică a două nuclee de izotopi ai hidrogenului - deuteriu și tritiu - produce un atom de heliu (He4), un neutron și mult-dorita energie în plus. Deși o imensă căldură trebuie furnizată pentru a declanșa fuziunea, odată pornită oferă câștigenergetic net. Strict reacția!

Există și alte elemente decât izotopii hidrogenului care pot, în anumite condiții, fuziona, eliberând energie. Cu unele, se cochetează în startup-uri cu bugete private și rezultate raportate, de obicei, fragmentar și polarizat. Spre exemplu, există o reactie de fuziune H(idrogen)-B(or), aneutronică (fără emisie de neutron) deci mult mai „curată”, dar este de sute de ori mai dificilă decât D-T.

Cu acestea - și din motive temeinice - „rudele” hidrogenului au rămas preferate. Încă de la începutul experimentelor de obținere a fuziunii controlate, s-a sperat că se va reuși alimentarea reacției numai cu deuteriu (D-D): aceasta ar fi permis obținerea energiei dintr-o sursă virtual nelimitată și neradioactivă. Dar, tot din motive tehnologice care par insurmontabile, nici reacția D-D n-a mers.

Din fericire, mai sus-menționata pereche a izotopilor deuteriu și tritiu ai hidrogenului se califică detașat pentru fuziune, prin calități unice. În primul rând, abundența în natură (D), respectiv prin reacții de generare cunoscute (T). În fapt, tritiul se poate obține fie din apa grea folosită în reactoarele CANDU (circa 25 Kg estimați în „tritium global inventory”), fie prin iradierea unui izotop al litiului, evaluat la numai 6-8% din zăcăminte, cu potențial cantitativ foarte mare. De notat că tritiul esteradioactiv și necunoscut de insidios și combinativ prin complicatul reactor.

În al doilea rând, D-T au cea mai favorabilă combinație între energiea minimă de ciocnire (64 KeV) pentru producerea fuziunii și secțiunea, aria traiectoriei lor prin inelul reactorului. Nici H-H, nici D-D nu oferă posibilități fezabile tehnologic, comparabile.

De asemenea, fuziunea D-T este de departe mai productivă energetic decât H-H (varianta „solară”) sau D-D, ambele eliberând până la 4 MeV. Dar, o singură fuziune D-T ideală ar elibera 18 MeV. De 4,5 ori mai mult! Cititorul atent a observat, poate, că este vorba doar de un rezultat al reacției singulare ideale și nu de bilanțul energetic general - componenta nevralgică a episodului.

În „buna tradiție” a umanității, fuziunea nucleară a fostdeja realizată atât experimental, cât și - mai ales - în primele-i aplicații full-scale: bomba cu hidrogen (fie termonucleară, fiecu neutroni) era testată încă din anii 1950, aproape simultan cu dezvoltarea bombei atomice (prin fisiune).

Dar, dincolo de bombe,în timp ce reactoarele energetice cu fisiune, în câteva configurații, s-au maturizat suficient pentru alimentarea centralelor electrice, navelor sau sateliților, fuziunea controlată mai mult de câteva secunde rămâne, de zeci de ani, un țel neatins. Idealul - reacția continuă, controlabilă și cu bilanț general pozitiv pare un pod prea îndepărtat. Episodul încearcă și să explice cauzele orientând, eventual, cititorul, față de „propagandismul” științific cu temă dată.

Parametrul esențial care califică un generator - un reactor cu fuziune, în acest caz - este câștigul (sau randamentul)energetic. Desigur că trebuie să fie obținută o energie superioară celei folosite, incluzând producerea reactanților, inițierea, creșterea și menținerea nivelului fuziunii, răcirea reactorului, conversia în electric și altele care vor fi măcar amintite. Doar un cuvânt de prevenire a confuziei: câștigul supraunitarar înseamna „perpetuum mobile” sau energie din nimic doar în... lumea utopică a sistemelor izolate. În realitate, orice generator folosește la intrare combustibili, reactanți, forțe exterioare (de plidă, ale elementelor naturii), surse de inițiere și/sau de menținere.

Cu această clarificare, să revenim la tehnologia fuziunii, cu încercarea schițării dificultăților care o invalidează, deocamdată pentru 2-3 decenii, ca „sursă de energie pentru omenire”.

Premizele etalate sunt entuziasmante. Energia degajată de fuziune este de 4 ori mai mare decât cea a fisiunii. Câteva grame de deuteriu-tritiu integral fuzionate ar echivala consumul individual dintr-o țară dezvoltată pe 60 de ani! Nirvanaenergetică!

Privind, însă, „cu ochiul minții / lucid”, există cel puțin două dificultăți capitale, insurmontabile de zeci de ani: una este a controlului reacției; adică a inițierii și apoi menținerii, într-un fragment din volumul covrigului - reactor a masei plasmatice fuzionare.

Altă paranteză -poate fi utilă- în acest punct. Enorma energizare a izotopilor D-T necesară pentru declanșarea fuziunii (la o temperatură estimată de 100-150 milioane de grade) se obține folosind fie un principiu - să-l numim consacrat - „covrigul” sau torul vidat de orice altceva, înțesat cu electromagneți pentru accelerarea izotopilor, fie altă metodă, cum ar fi lovirea unei „pastile” care-i conține, cu raze laser de mare putere și precizie.

Variante de reactoare toroidale sunt Stellarator și RFP (reverse pinch field). Există și alte proiecte, cum ar fi cel inspirat din funcționarea motorului cu compresie, în care o incintă-reactor este, ciclic, „pistonată” extrem, pentru forțarea ciocnirilor izotopilor și susținerea energetică a doritei fuziuni. Et cetera.

Pe lângă controlul reacției, o a doua „nevralgie” este că în bilanțul energetic al fuziunii, sus-amintitul câștig, raportul între ce intră și ce iese rămâne mult subunitar, 0.7 în cele mai victorioase declarări. Recordul (Q=0.67) deținut din 1997 de Tokamak-ul JET (Joint European Torus) din Oxfordshire, Anglia, tocmai a fost depășit, în august 2021 la NIF (National Ignition Facility), SUA. Noua valoare declarată a câștigului a crescut cu...0,03, ajungând la 0,7! După 24 de ani!

Revenind la JET-ul din Anglia - după reconfigurări și modernizări, s-a reușit, în decembrie 2021, atingerea unui alt record - de data aceasta la durata fuziunii, 5 secunde...(!) cu costul dezamăgitor (și interesant) al unui câștig de 0,33 - adică la jumătate față de 1997. Tot după 24 de ani! Acest din urmă rezultat sugerează că menținerea fuziunii implică un cost energetic, chiar și teoretic, enorm și, pe lângă problemele de fezabilitate, aruncă orizontul practicalității peste încă 20-30 de ani.

Așa-zisul „câștig” (gain), chiar subunitar (adică pierdere), chiar aparent limitat de zeci de ani la 0,7 în cele mai performante două experimente, ar induce, totuși, ideea „dificultăților pe un drum promițător” dacă...

...Ar fi complet prezentat în contextul bilanțului energetic al instalației de fuziune. În realitate, câștigul sus-menționat se referă strict la raportul dintre energia degajată și cea primită efectiv de masa plasmatică, urmare a fuziunii. Deci - bilanț de interior.

Ce nu se spune în marketingul de produs este 1) că energia totală necesară „la intrarea” instalației este de cel puțin 10 (zece) ori mai mare decât cea indusă efectiv în plasmă și 2) că randamentul estimat de conversie al căldurii de fuziune în energie electrică (proces încă nerealizat experimental) ar fi de cel mult 50%.

De exemplu, JET a avut nevoie de 700MW putere electrică din exterior pentru 16MW dezvoltați în plasmă. Maximum ipotetic 1/2 la conversie electricăduce „câștigul” la... 0,012 !! Iar valoarea mediatizată este 0,67! De aici, se vede câtă confuzie poate genera jocul numerelor în percepția rezulatelor cercetării.

La NIF, cu laser, au „intrat” în plasmă 1,3MJ energie și fuziunea a degajat 1,85MJ, pentru menționatul record al câștigului în plasmă de 0,7. Energia folosită de instalație sau „câștigul” total nu sunt specificate; cu greu se găsește online valoarea ... 0,0077 (!) https://www.science. org/content/article/fusion-breakthrough-nif-uh-not-really.

Cu aceste adevăruri (încă incomplete!) „câștigul” net sau total, devine cel mult 0,015 pentru cele mai bune instalații operaționale. Foarte departe de 0,7 care este numai câstigul în plasmă; sau de doritul 1 (când fuziunea produce cât consumă) și la un abis distanță de valori precum 10 - la cât se anticipează că va performa, din 2025, noul copil teribil numit ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Abrevierea a fost, desigur, speculată fonetic: eater înseamnă mâncător (de resurse, ar fi sugestia, în acest caz).Bugetul inițial, din 2006, de 5 miliarde $, a urcat la 15mld în 2019, cu estimări actuale de 20+ mld $.

ITER este, principial, tot de tip Tokamak; desigur, mult mai avansat. Aflat în construcție la Caradache, în Franța, este susținut de UE și șase țări semnificative: SUA, China, Rusia, India, Japonia, Coreea. Se anunță 500MW putere produsă, de 10 ori mai multă decât este necesară pentru cea de input. La nivel de plasmă! Consumul total deoperare este anticipat la 440MW. Dintre aceștia, până la 120MW reprezintă puterea livrată obligatoriu în sistem, în etapele non-plasmatice, nemaivorbind de fuziune.

Se știe de la școală că puterea (măsurată în wați, W, cu multiplii uzuali KW, MW) este o mărime de stare, pe când energia (putere x timp, exprimată în Ws, cu multiplii uzuali KWh, MWh) este o mărime de proces, adică arată bilanțul unei instalații într-un timp anumit.

Eludarea duratelor specifice etapelor funcționării unei instalații este, pe lângă explicitarea câștigului, o altă sursă de neînțelegeri. La fel - și cuvântele-cheie „consum” și „producere” asociate doar puterii (KW, MW), nu și energiei, caz în care ar trebui introdusă durata de funcționare. La o centrală electrică mainstream este vorba de cel puțin săptămâni sau luni de funcționare continuă. O eternitate, față de recordul actual la fuziune de... 5 secunde (JET)! La NIF (v. mai sus) sistemul poate declanșa un shot de fuziune la câteva ore. Marketingul științific asociat proiectelor induce, pentru necunoscători, confuzia între puteri și energii, fără a greși în exprimări!

În cazul ITER: dacă, spre exemplu, fuziunea ar produce în plasmă puterea (instantanee!) de 500MW pentru 1 minut, cu utilizarea a 440KW, „consumul” ar trebui completat cu durata, mult mai mare decât 1 minut, de susținere energetică a reactorului, cu o putere de 120MW. Doar trei minute și jumătate de „pregătire+ stingere” ar egala un minut de funcționare în regim nominal! De reamintit că recordul actual la JET este de 5(cinci) secunde fuziune (cu aceleași enorme consumuri de amorsare și susținere), dar ITER, mult mai evoluat, vis/zează până la o oră (!) de fuziune.

Până atunci, însă, în primii 10 ani după planificata finalizare din 2025, vor avea loc experimente cu plasmă, fără fuziune, folosind hidrogen și deuteriu. Nu vor fi generați neutronii super-energetici specifici fuziunii, deși sunt produse componente ale stratului de beriliu-litiu necesar întreținerii fuziunii prin generarea tritiului în interiorul reactorului. Probabil, obiectivul principal va fi laborioasa ajustare graduală a instalației pentru formarea și controlul plasmei.

O componentă „politico-științifică” semnificativă în marile proiecte finanțate public este definirea criteriilor de evaluare a progresului. În 1988, grupul consultativ STOA (Scientific and Technological Options Assessment) al Parlamentului European publica un amplu document, foarte bine structurat, accesibil, obiectiv și informativ numit „Criterii pentru evaluarea cercetării fuziunii în Europa”. Cititorul interesat îl poate găsi și consulta online; episodul prezintă doar câteva pasaje semnificative, în deplină actualitate.

O atenție specială este acordată de STOA prezentării complete a problematicii fuziunii nucleare, nu doar la nivel experimental, ci și ca eventuală tentativă comercială. De remarcat - încă din anii 1970 se evocase (în SUA) nevoia unui grup competent, având rol de „ombudsman tehnologic”, avocat al publicului (contribuabil) pe rol de adversar al mediilor politico-științifice persuasive. Scopul ar fi - orientarea finanțărilor publice numai spre tehnologiile cu potențial comercial-ecologic real și durabil.

Din această perspectivă, europeanul STOA atenționează asupra reprezentărilor literal corecte dar cel puțin discutabile, privind calitățile fuziunii nucleare. De exemplu, față de euforia, nu numai jurnalistică sau de marketing, ci și științifică:

„...expresii care declară că un gram de compoziție D-T egalează 10.000 litri de petrol pot fi aritmetic corecte, dar nu au legătură cu energiile efectiv livrate. Ca atare, sunt inexacte și înșelătoare. ACESTE EXPRESII CANTITATIVE POT FI DESTINATE CA MOTIVAȚIE PENTRU FUZIUNEA NUCLEARĂ, DAR NU SUNT”

La obiectul acestui episod - posibilitatea confuziilor privind termenii, numerele și fezabilitatea:

„6. Este fezabilă fuziunea?

Am urmărit să înțelegem stadiul din prezent al progresului tehnic. Folosirea termenului compensare ca definind programul actual de obținere a unui echilibru energetic în reacția plasmei H-D poate genera neînțelegere. ÎN VIZIUNEA NOASTRĂ, „COMPENSARE” TREBUIE SĂ FIE FOLOSIT CA DESCRIPTOR AL STADIULUI ÎN CARE EXISTĂ O COMPENSARE ENERGETICĂ ÎN SISTEMUL (LUAT - n.red.) CA ÎNTREG. ACEASTĂ REALIZARE ANUME VA DESCHIDE DRUMUL CA ENERGIA FUZIUNII SĂ FIE FOLOSITĂ PENTRU GENERAREA DE ELECTRICITATE. Fezabilitatea științifică, în înțelesul curent, ratează substanțial „COMPENSAREA” în sensul folosit de noi.”

Este, desigur, referirea la incorectitudinea prezentării câștigului unitar în plasmă și nu global, pe instalație drept criteriu de succes. Se poate obiecta că raportul STOA se referea la datele specifice bilanțului energetic disponibile până în 1988. Dar, acestea sunt identice cu cele din prezent; la fel și posibilele „con-fuziuni” prin prezentări atent formulate. De pildă,intro-ul pe site-ul ITER https://www.iter.org/ : UNLIMITED ENERGY: Fusion, the nuclear reaction that powers the Sun and the stars, is a potential source of safe, non-carbon emitting and virtually limitless energy. Sau în respectabila https://royalsocietypublishing.org/doi/ 10.1098/rsta.2011.0260 despre NIF: The National Ignition Facility: the path to a carbon-free energy future.

Sugestia este a perspectivei unei surse de căldură inepuizabile, replicând în siguranță pe Pământ fenomenele solare. În realitate, ar fi o altă fuziune: fără hidrogen, ci cu izotopi, dintre care unul indisponibil în natură și radioactiv. Neutronii rezultați radioactivează complex instalația. Sunt neapărat necesare litiul și -în unele configurații- beriliul, ambele finite și exploatate demult în alte scopuri. În fine, fuziunea în variantă terestră are un impact eco anticipat de mare gravitate, încă insuficient cunoscut, eclipsat de emisia zero-CO2. Precum și în alte cazuri la modă, se „uită” și enorma amprentă de CO2 a construirii, energizării și -ipotetic- multiplicării sistemelor.

Revenind la raportul STOA, concluziile sunt -de asemenea- foarte îngrijit formulate. Se consideră, în mod echilibrat, neadecvarea identificării criteriilor experimentale de realizare a fuziunii cu cele ale unui agregat nuclear-electric integral. DAR, atingerea experimentală a unui „bilanț energetic egal” (breakeven) pentru întregul sistem (nu doar pentru plasmă) ar fi suficientă (!) pentru evocarea realistă a scopului comercial. De observat și că, la acest nivel de „esențializare”, nu se mai menționează durata fuziunii sau alte criterii tratate, de altfel, atent în document.

„ASTFEL, ÎN SUMAR, AM STABILIT CĂ CRITERIILE CONSIDERATE ÎN GENERAL RELEVANTE PENTRU EVALUAREA FEZABILITĂȚII ȘTIINȚIFICE A FUZIUNII NUCLEARE NU SUNT ÎN SINE ADECVATE OBIECTIVELOR UNUI REACTOR ENERGETIC. AM STABILIT DE ASEMENEA CĂ „BILANȚUL EGAL” AL SISTEMULUI ESTE SUFICIENT PENTRU ACEST SCOP. O CONDIȚIE MAI SLABĂ POATE FI SUFICIENTĂ DREPT CRITERIU ȘTIINȚIFIC CORECT, DAR ACEASTA NU A FOST DEMONSTRAT.

ÎN OPINIA NOASTRĂ, CRITERIUL ȘTIINȚIFIC CORECT TREBUIE SĂ DOMINE PROGRAMUL DIN ETAPELE CELE MAI TIMPURII. PERICOLELE NEÎNDEPLINIRII ACESTEIA POT FI CA ÎNTREG PROGRAMUL SĂ FIE DEDICAT URMĂRIRII UNOR PARAMETRI DE PERFORMANȚĂ NERELEVANȚI PENTRU SCOPUL FINAL. REZULTATUL AR FI, ÎN CEL MAI RĂU SCENARIU, ENORMA RISIPĂ DE RESURSE PENTRU UN PROGRAM CARE ESTE, PUR ȘI SIMPLU, NEREALIZABIL ȘTIINȚIFIC.”

Ultimul alineat este relevant pentru îndemnul comisiei STOA la corecta și completa definire și expunere a parametrilor de lucru în eforturile de realizare a fuziunii controlate. Conotația este că alterarea, inclusiv pentru public, a parametrilor și obiectivelor din dorința continuării, extrem de costisitoare, a cercetărilor ar putea antrena, în cel mai rău caz, o enormă risipă pe drumul către imposibil.

Pentru limitarea dimensiunii episodului, nu au fost aduse în discuție enormele costuri materiale, ale rezolvării problemelor tehnologice și - mai ales, în conjuncție cu acestea - la protecția mediului.

Nici un reactor existent sau în construcție nu are dispozitiv de conversie a căldurii fuziunii în electricitate, ceea ce indică obiectivul realist - cercetarea științifică. Pentru justificarea enormelor resurse cerute, este, însă, nevoie de evocarea unui ideal pentru umanitate. Vorba, metaforică, desigur, a poetului: „i-au dat un drog / i-au programat un vis”.

Cititorii sau radioascultătorii vor găsi, poate, interesul să reflecteze asupra sensurilor tentativelor științifico-tehnice care frizează imposibilul. Dincolo de interesele- în primul rând financiare- pe termen lung, există o cumva o fascinație , mai mult - un fel de imperativ genetic la nivel de specie pentru forțarea limitelor? Cum se decid obiectivele care merită efortul? Coloniile pe Lună sau pe fundul mărilor întârzie, deși anunțate, de zeci de ani...

Și pentru ca erezia să fie completă... pot fi, oare, imaginate marile joint venture-uri precum ITER sau LHC (Large Hadron Collider) ca noi Turnuri Babel? Îndreptate, de această dată, nu către spațiu sau ocean, ci spre infinitul mic, lumea zisă a particulelor elementare. Re-unificarea graiurilor, ca pas unificator, pare că s-a realizat!

redactor Florin Vasiliu