Un reactor de fuziune nucleară din Franţa va fi dotat cu cel mai puternic electromagnet din lume
Ingineri americani pregătesc primul modul din cel mai puternic electromagnet din lume pentru a fi transportat în Franţa, unde va deveni piesa centrală a celui mai modern reactor de fuziune nucleară din lume, transmite miercuri Live Science .
Electromagnetul, denumit "solenoid central", va deveni principalul element al celui mai mare reactor de fuziune nucleară din lume, ITER ("calea" sau "drumul" în latină). La acest experiment internaţional participă 35 de ţări. Obiectivul este de a obţine energie nucleară curată, sustenabilă. Spre deosebire de reactoarele nucleare clasice, ce funcţionează prin fisiune nucleară (spargerea atomilor), reactoarele de fuziune nu produc emisii radioactive şi obţin energie prin fuziunea nucleilor atomici, proces identic cu cel prin care stelele produc energie.
Foto: (c) www.livescience.com
Odată asamblat complet, solenoidul central va avea 18 metri înălţime şi 4,3 metri lăţime şi va fi capabil să producă un câmp magnetic extrem de puternic, de 13 tesla - de aproximativ 280.000 de ori mai puternic decât câmpul magnetic terestru. Acest electromagnet va fi suficient de puternic pentru a ridica un portavion de 100.000 de tone.
"Solenoidul central este cel mai mare şi cel mai puternic electromagnet pulsat construit vreodată", conform lui John Smith, directorul de proiecte din cadrul General Atomics, compania care a construit acest electromagnet.
Solenoidul central
Solenoidul central este alcătuit din 6 module individuale ce vor fi asamblate în centrul reactorului de fuziune ITER. Întregul electromagnet este înalt cât un bloc de 4 etaje şi cântăreşte 1.000 de tone.
Fiecare modul individual este de fapt o uriaşă bobină formată din aproximativ 5,6 kilometri de cablu superconductor din niobiu-staniu, îmbrăcat într-un înveliş de oţel. Modulele sunt tratate termic într-un furnal uriaş timp de mai multe săptămâni pentru a le creşte conductivitatea, după care cablurile sunt izolate şi bobina este înfăşurată în forma finală.
Conform Legii Inducţiei Electromagnetice, formulată de Faraday, electricitatea care trece printr-un fir conductor generează un câmp magnetic perpendicular pe firul conductor. Atunci când firul conductor are forma circulară, câmpul magnetic rezultat este de asemenea circular, iar puterea sa este amplificată cu fiecare spirală de fir conductor adăugată în sistem. Solenoidul este bobina cilindrică cu spirale în forma de cercuri dispuse în plane perpendiculare faţa de axa de simetrie, înfăşurate după o elice cu pasul constant şi străbătute de un curent electric care creează în jurul lor un câmp magnetic uniform. Cea mai simplă variantă a unui solenoid este experimentul clasic desfăşurat la orele de fizică în care o sârmă este înfăşurată în jurul unui cui şi ataşată de o baterie.
Dimensiunea şi calităţile de superconductor ale solenoidului central îi permit să dezvolte un câmp magnetic mai puternic decât al oricărui alt electromagnet construit până în prezent.
Inima reactorului ITER
Aceste electromagnet este "inima" reactorului ITER, pentru că le permite cercetătorilor să menţină sub control reactanţii extrem de instabili ai procesului de fuziune nucleară.
Foto: (c) www.livescience.com
ITER este conceput să elibereze o cantitate mică de vapori de deuteriu şi de tritiu, ambii izotopi ai hidrogenului (variante ale aceluiaşi element chimic cu mase atomice diferite) într-o cameră de vid mare, de forma unei gogoşi, denumită tokamak. În interiorul tokamakului, aceşti izotopi sunt încălziţi până când îşi pierd electronii de pe orbite şi gazul este transformat în plasmă. Această plasmă va fi extrem de fierbinte, ajungând până la temperatura de 150 de milioane de grade Celsius, sau de 10 ori mai fierbinte decât nucleul Soarelui. La această temperatură, atomii intră în procesul de fuziune nucleară, eliberând cantităţi uriaşe de energie ce poate fi folosită pentru a genera electricitate prin încălzirea apei şi transformarea ei în aburi care activează o serie de turbine.
Procesul de fuziune nucleară a fost obţinut încă din anii '50 în interiorul unor astfel de incinte tokamak, însă doar pentru perioade foarte scurte de timp, de ordinul câtorva secunde. Pentru ca fuziunea nucleară să devină o modalitate viabilă de a obţine energie electrică, această reacţie de fuziune trebuie menţinută la o rată constantă şi trebuie să fie eficientă din punct de vedere energetic - să necesite mai puţină energie decât generează la capătul acestui proces.
Foto: (c) ITER / Facebook.com
Una dintre principalele probleme cu care s-au confruntat fizicienii a fost crearea unei incinte care să poată conţine plasma încălzită la zeci de milioane de grade Celsius în cadrul unor astfel de reactoare. Acesta este rolul solenoidului central. Conform teoriei, câmpul magnetic extrem de puternic pe care-l generează va menţine plasma la locul ei, în interiorul incintei tokamak şi va susţine reacţia de fuziune, conform lui Smith.
Inginerii americani au avut nevoie de mai mult de 5 ani pentru construcţia primului modul din alcătuirea solenoidului central, iar în prezent acest modul este gata de a fi transportat în Franţa. Fiecare modul este construit şi transportat în mod individual, pentru că întregul electromagnet este pur şi simplu prea mare pentru a fi transportat în condiţii de siguranţă. În plus, modulele sunt construite separat şi pentru a putea fi înlocuite în cazul unei defecţiuni a solenoidului central, conform lui Smith.
Prima etapă a călătoriei modulului, ce a fost construit la uzina din San Diego a companiei General Atomics, se va desfăşura pe şosea până la un port din Houston. De acolo, va porni la începutul lunii iulie spre portul Marsilia, unde va ajunge spre sfârşitul lunii august. Din portul francez va fi transportat din nou pe şosea până la facilitatea ITER unde va fi instalat. Următoarele 5 module, precum şi încă un modul de rezervă, vor urma acelaşi traseu în următorii ani, după ce construcţia lor va fi finalizată.
Colaborare internaţională
Fiecare dintre cele 35 de ţări participante la acest proiect - ţările UE, Marea Britanie, Elveţia, China, India, Japonia, Coreea de Sud, Rusia şi SUA - au contribuit în diferite măsuri la acest proiect, prin proiectarea şi fabricarea celor peste 1 milion de componente individuale ale reactorului de fuziune.
Solenoidul central este cea mai importantă dintre contribuţiile americane şi reprezintă aproximativ 9% din costurile totale ale ITER. În pofida impactului pandemiei de COVID-19, construcţia reactorului de fuziune nucleară ITER rămâne în termen pentru a fi finalizată până în 2025, conform obiectivelor iniţiale. În prezent reactorul este complet în proporţie de 75%. Chiar dacă va fi complet construit până în 2025, exploatarea sa la capacitate maximă va începe abia după anul 2035, primii ani fiind necesari testării progresive a capacităţilor reactorului.
"Sfântul Graal" al energiei
Tehnologia de obţinere a unei cantităţi nelimitate de energie prin fuziunea nucleară a atomilor de hidrogen este considerată de mulţi drept "Sfântul Graal" al energiei.
De mai multe decenii, oameni de ştiinţă din diferite părţi ale lumii urmăresc cu încăpăţânare acest obiectiv ambiţios: construcţia unui reactor de fuziune nucleară, care să genereze energie în acelaşi mod în care o fac stelele. Încorporată în centrale energetice, această tehnologie de tip "stea în borcan" are capacitatea de a ne asigura, pentru totdeauna, energie infinită obţinută fără niciun fel de poluare.
Foto: (c) ITER / Facebook.com
Spre deosebire de un reactor nuclear tradiţional, de fisiune, care sparge nucleele atomice ale elementelor grele pentru a obţine energie, un reactor de fuziune funcţionează prin fuziunea nucleelor atomice ale elementelor uşoare şi transformarea lor în elemente mai grele. În cazul stelelor, în primă fază, doi atomi de hidrogen fuzionează pentru a produce un atom de heliu, un proces care eliberează uriaşe cantităţi de energie şi nu produce niciun fel de poluare radioactivă ca în cazul fisiunii nucleare.
Mai mult decât atât, combustibilul folosit pentru reacţiile de fuziune nucleară este hidrogenul, cel mai abundent element chimic din Univers şi care poate fi extras foarte uşor din apă. AGERPRES
