Fuziunea nucleară reprezintă combinația a două nuclee ușoare într-un nucleu mai greu. Fuziunea, sau reacția termonucleară a elementelor ușoare sunt reacții tipice care au loc în Soare și în alte stele. Într-adevăr, în Soare, în fiecare secundă, 657 milioane de tone de hidrogen sunt transformate în 653 milioane de tone de heliu. Cele 4 milioane de tone lipsă sunt apoi convertite în radiații – acest fenomen asigurând strălucirea Soarelui. Temperaturile extreme și de presiune înaltă creează o stare a materiei, puternic ionizată, numită plasmă și care este menținută în volumul respectiv prin intermediul forțelor gravitaționale.

O reacție de fuziune în care este eliberată o cantitate relativ mare de energie (27,7 MeV) este una în care patru protoni interacționează ducând la formarea unui nucleu de heliu (o particulă alfa). Deoarece izotopii de hidrogen sunt utilizați în acest proces, iar hidrogenul este practic peste tot în jurul nostru, ideea de a obține energie din fuziunea acestuia este extrem de atractivă: oferă de principiu o sursă nelimitată de energie pentru generațiile viitoare!

Reacțiile de fuziune, cu toate acestea, nu sunt ușor de realizat pe Pământ. Trebuie să se țină cont de faptul că temperaturile necesare sunt extrem de mari, în general de ordinul a sute de milioane de grade Kelvin. și odată plasma fierbinte creată rămâne problema menținerii ei care nu e una tocmai ușoară.

Mai jos sunt trecute reacțiile de fuziune ale nucleelor ușoare care ar putea fi considerate pentru aplicațiile practice:

Pentru inițierea reacției de fuziune trebuie învinsă repulsia coulombiana dintre nuclee. Astfel acestea trebuie să aibă energii cinetice incidente mari de la câțiva keV la câteva sute de keV (neglijăm aici posibilitatea de inițiere a fuziunii la temperaturi scăzute prin intermediul așa-numitei fuziuni catalizate de mezoni). Este relativ simplă accelerarea particulelor ușoare la aceste energii. Cu toate acestea, energia necesară pentru funcționarea acceleratoarelor de particule depășește cu mult energia acumulată în cadrul procesului de fuziune. Este mai eficient utilizarea unei soluții alternative: energia cinetica a reactanților poate sa apară ca rezultat al temperaturii înalte a unui gaz de particule. La temperaturi de zeci sau sute de milioane de grade Kelvin, electronii sunt expulzați din atomi, reactanții existând ca o plasmă fierbinte. Acesta este motivul pentru care vorbim despre reacțiile “termonucleare".

Principala problemă tehnică este legată de generarea de temperaturi și presiuni extrem de ridicate în gazul ionizat - plasma - și de izolarea acestuia pentru un timp suficient de lung, astfel încât să declanșeze eliberarea de energie. Odată ce acest lucru este realizat și au loc suficiente reacții de fuziune, condițiile se automențin astfel încât se poate realiza o producție continuă de energie.

Condiția necesară pentru eliberarea de energie de la un reactor termonuclear este dată de criteriul lui Lawson care afirmă că produsul dintre densitatea de nuclee din plasmă și timpul confinării la temperatura de igniție trebuie sa depășească o anumită valoare de prag. Pentru reacția de fuziune D-T acesta este:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Necesitatea de a avea o temperatură înaltă presupune ca plasma să nu intre în contact cu pereții. Prin urmare, trebuie să se lucreze cu tehnici speciale de izolare a plasmei.

Există trei metode de izolare a plasmei: gravitațională, magnetică și inerțială. În stele, izolarea se datorează gravitației, care creează o presiune suficient de mare. Acest tip de izolare nu se poate aplica pe Pământ. În loc se pot folosi câmpurile magnetice puternice pentru a capta plasma prin metoda confinării magnetice sau metoda confinării inerțiale prin comprimarea unor granulele de hidrogen cu ajutorul unui laser puternic sau cu un fascicul de particule.

În cazul confinării magnetice, în care densitatea de particule este mai mare, de aproximativ 10²⁰/m³, timpul de confinare dat de criteriul Lawson trebuie să fie mai mare de 1s. În cazul confinării inerțiale densitatea tipică este de 10³¹/m³, iar timpul de confinare trebuie să fie de ordinul 10^-11s.

Reacția cea mai probabil de a fi utilizată este fuziunea deuteriului și a tritiului, D + T→ ⁴He + n + 17.58 MeV, deși reacțiile deuteriu-deuteriu sunt de asemenea luate în considerare. Deuteriul poate fi ușor de obținut din apă (30 de grame pe metru cub). Tritiul trebuie să fie produs fie într-un reactor nuclear sau într-un reactor de fuziune din litiu, un element care poate fi găsit în scoarța terestra în cantități mari.

Acesta poate fi obținut prin realizarea unui strat gros din litiu (de aproximativ 1 m), ce conține de asemenea și beriliu și care înconjoară miezul reactorului. Litiul va absorbi neutronii care sunt încetiniți în acest strat și se va transforma în tritiu și heliu. Energia astfel eliberată încălzește pătura începând astfel generarea de energie convențională. Utilizarea beriliului e motivată de menținerea unui număr suficient de neutroni în sistem.

Mișcarea particulelor încărcate în plasma poate fi controlată de un câmp magnetic exterior. În sistemele cu confinare magnetică, numite reactoare Tokamak, plasma (D-T de exemplu) este încălzită și confinată la o densitate de aproximativ 10²¹ de particule pe metru cub. Câmpul magnetic este conceput astfel încât particulele sa rămână în interiorul incintei, altfel temperatura ar scădea sub valoarea la care se produce fuziunea.

La asemenea valori ale temperaturii presiunea datorată câmpului magnetic este de asemenea una impresionantă. Pentru o densitate de particule precum cea din atmosfera de aproximativ 10²⁷ particule pe metru cub și pentru o energie termică de 10 keV, presiunea magnetică trebuie să depășească 10⁸ hPa. Bobinele generatoare de câmp și suporturile lor mecanice nu pot rezista la astfel de presiuni! Pentru a reduce presiunea este necesară micșorarea densității de particule. Pentru a îndeplini criteriul lui Lawson privind aprinderea plasmei aceasta trebuie menținută în aceste condiții un interval mai mare de timp.

Configurația cea mai eficientă a câmpului magnetic s-a dovedit a fi cea toroidală. Camera reactorului seamăna cu o gogoașă și are o forma închisă precum o "sticlă magnetică". De fapt, pentru a asigura stabilitatea plasmei, liniile de câmp magnetic urmează un traseu elicoidal. O astfel de izolare este furnizată de dispozitive cunoscute sub numele de Tokamak, stelarator și RFP (reverse pinch field).

Într-un tokamak o serie de bobine sunt plasate în jurul camerei de reacții în forma de tor. Miezul transformatorului trece prin centrul Tokamak-ului, în timp ce curentul de plasmă formează un circuit secundar. Câmpul perpendicular, așa numit și poloidal este indus atât intern de către curentul din plasma cât și extern de către bobine poloidale dispuse de-a lungul perimetrului camerei.

Acest curent încălzește plasma la o temperatură necesară foarte ridicată, de circa 10 milioane de K. Ideea tokamak-ului a pornit de la fizicienii ruși Andrei Saharov și Igor Tamm. Principalul dezavantaj al unui tokamak îl reprezinta domeniul de parametri relativ îngust. Cel mai mare Tokamak construit până acum este Joint European Torus (JET).

În dispozitivele numite stelaratoare, condițiile de plasmă sunt reglate de curenții care circulă în afara acesteia. Liniile elicoidale ale câmpului din stelaratoare sunt produse printr-o serie de bobine, care sunt la rândul lor elicoidale.

Cel mai mare stelarator este Dispozitivul Elicoidal Mare (LHD), care a început să funcționeze în anul 1998, la Institutul Național de Cercetare a Fuziunii din Japonia. Deoarece în stelaratoare niciun curent nu este indus în plasmă, încălzirea trebuie să fie obținută prin alte mijloace, de exemplu, prin radiații electromagnetice. O astfel de tehnică a fost concepută în Grefswald, Germania. Aceste dispozitive sunt similare cu tokamak-urile in ceea ce privește câmpurile toroidale și poloidale. Curenții sunt însă mult mai puternici și în același timp direcția câmpului toroidal în plasma este inversată la marginea plasmei. Acest tip de sistem funcționează de exemplu în Padova, Italia.

Tehnica fuziunii prin confinare inerțială constă în pregătirea unei pastile D-T care este apoi încălzită rapid pentru a atinge o temperatură și o presiune care să asigure atingerea stării de plasmă.

Acest lucru este realizat atunci când pastilele sunt comprimate prin bombardarea cu pulsuri laser puternice și focalizate. În aceste condiții suprafața pastilelor se evapora și formează o plasmă în forma de coroană. Plasma se extinde și generează un front de compresie interioară care provoacă implozia pastilelor creând o reacție de fuziune instantanee.

Sistemul de fuziune cel mai avansat cu privire la confinarea inerțială este NOVA de la Laboratorul Lawrence Livermore din Statele Unite ale Americii. Cercetătorii de la NOVA au demonstrat că se pot atinge densități de 600 de ori mai mari decât cea a lichidului D-T și de 20 de ori mai mari decât densitatea plumbului.

Comunitatea Europeana a început programul Joint European Torus (JET) în anul 1978. Scopul principal al JET a fost de a face teste asupra fuziunii, în fizica plasmei și a condițiilor de stabilitate. Culham din Marea Britanie a fost ales ca sediu al JET-ului.

Dispozitivul, cel mai mare tokamak produs până acum, a fost pus în funcțiune în anul 1983, iar prima fuziune controlată a fost produsă în noiembrie 1991. În 1997 o putere record de 16 MW a fost obținută timp de o secundă cu un combustibil deuteriu-tritiu. Experiența JET a arătat faptul că fuziunea în mod controlat este posibilă.

Urmașul său este ITER - International Tokamak Experimental Reactor, un proiect științific și ingineresc internațional care construiește cel mai mare reactor nuclear de fuziune tokamak la Cadarache, Franța. Proiectul ITER își propune să facă tranziția de la studiile experimentale de fizică a plasmei la producerea de energie pe scară largă în centrale de fuziune.

National Ignition Facility (NIF) situată în California, USA este facilitatea cea deține cel mai mare și mai puternic laser din lume. Unul din obiectivele ei este de a realiza pentru prima dată fuziunea nucleară și un balanț energetic pozitiv - în esență își propune să realizeze pe Pământ o stea în miniatură.

NIF folosește lasere foarte puternice pentru încălzirea și comprimarea unei cantități mici de combustibil pe bază de hidrogen, până la punctul în care au loc reacții de fuziune nucleară. NIF este cel mai mare și cel mai puternic dispozitiv de tip confinare inerțială construit până în prezent și primul care ar urma să atingă regimul de a produce mai multă energie decât a fost utilizată pentru realizarea aprinderii. Misiunea sa este de a realiza fuziunea nucleară în laborator și de a sprijini programul militar nuclear prin studierea comportamentului materiei în condițiile constatate în interiorul armelor nucleare.

Temperaturile și presiunile extreme realizate în camera țintei de la NIF vor permite cercetătorilor să realizeze experimente unice în domeniul fizicii cu densități energetice mari și a obține noi informații despre fenomene astrofizice precum cele din supernove, planetele gigantice sau gauri negre.

Fuziunea este procesul opus reacției de fisiune nucleară. În aceasta din urmă, nuclee cu mase mai mici sunt obținute dintr-un nucleu greu, iar suma maselor produse este mai mică decât masa nucleului greu. În cazul procesului de fuziune, masa nucleului greu este mai mică decât suma maselor inițiale ale nucleelor ​​care se ciocnesc.

În scopul inițierii reacției de fuziune, energiile relative ale nucleelor ​​care se ciocnesc (particule încărcate pozitiv!) trebuie sa fie suficient de mari pentru a depăși repulsia electrică. Prin urmare, în scopul de a forma atomi de heliu prin fuziunea deuteriului și tritiului, de exemplu, nucleele ce formează combustibilul trebuie să fie ținute în condiții de temperatură și presiune extrem de ridicate.

În reacția amintita un neutron este produs. Acest neutron are o energie cinetică foarte mare, care este cedată în timpul procesului de încetinire. Această energie poate fi transformată în căldura pentru a produce aburi, care, la rândul lor, pot trece apoi în turbină pentru a genera electricitate. Neutronii produși în astfel de reacții de fuziune pot fi, de asemenea, utilizați pentru producerea combustibilului nuclear din uraniu sărăcit, adică uraniul care conține mai puțin ²³⁵U decât cel natural (0,72%).

Aproximativ unul din fiecare 6000 de atomi de hidrogen din jurul nostru (inclusiv hidrogenul din apă) este un atom de deuteriu. Această abundență motivează cercetările de a proiecta reactori pe bază de fuziune - resursele de combustibil ar fi astfel asigurate pentru o perioadă de miliarde de ani!

Spre comparație: în scopul producerii de 1 GW-an este nevoie de aproximativ 35 de tone de UO² în cazul fisiunii și de aproximativ 100 kg de deuteriu și 150 kg de tritiu pentru fuziune. Un alt aspect ce face fuziunea mai atractivă este absența aproape completă al oricărui rezidiu radioactiv. În particular, niciun material care ar putea fi utilizat pentru producția de arme nucleare nu va rezulta prin funcționarea unei astfel de centrale electrice de fuziune. De asemenea, spre deosebire de reactoarele nucleare, în care se folosește fisiunea, o explozie a instalației este practic imposibilă: dacă o explozie s-ar produce plasma ar începe sa se extindă și sa se răcească oprind astfel procesul de fuziune.

Însă nu înseamnă ca nu există riscuri legate de reactoarele de fuziune. În special trebuie să se țină cont de producția masivă de neutroni și de tritiul care este radioactiv. Prezența sărurilor de litiu topite și a beriliului cancerigen pot fi, de asemenea, o problemă.

Ca și în reactoarele de fisiune sunt produse destul de multe radiații ionizante (neutroni, în special). Prin urmare, se așteaptă apariția unei importante probleme legate de protecția împotriva radioactivității induse în întreaga instalație. Un posibil accident în sistemul magnetic, care stochează cantități extrem de mari de energie, trebuie luat în considerare în mod serios. În anul 1992 o echipă intitulată Siguranța Europeana de Evaluarea a Mediului și a Puterii obținute prin Fuziune (SEAFP) a fost formată. Scopul echipei este acela de a face observații cu privire la proiectarea centralelor de fuziune nucleară, la condițiile de siguranța și de evaluare a impactului acestora asupra mediului. Conform evaluărilor SEAFP principalele avantaje ale fuziunii în comparație cu cele ale fisiunii constau în faptul că în scenariul cel mai grav al unui accident emisia de radiații produsă nu va determina strămutarea populației din zona. În plus, deșeurile radioactive produse în centralele de fuziune se descompun relativ repede și nu necesita izolarea de mediul înconjurător. O problemă posibilă este legată de eliberarea de tritiu radioactiv în mediu. Acest gaz radioactiv este foarte penetrant, se dizolvă ușor în apa și poate acționa mult timp (timpul de înjumătățire a tritiului este de aproximativ 12 ani).

Până în prezent, toate promisiunile și speranțele legate de producerea de energie s-au dovedit a fi premature – nu a trecut mult timp de la momentul primelor experimente reușite în care energia obținută a fost egală cu cea introdusă (mai întâi la sistemul american TFTR și cel japonez JT60 și apoi la Joint European Torus - JET). Dificultățile principale sunt: producerea unei configurații stabile de plasmă, găsirea materialelor care să reziste fluxurilor mari de neutroni produse și extragerea unei cantități cât mai mari de energie, mai mult decât se introduce.

În prezent proiectul cel mai avansat de producere a energiei în regim comercial este ITER, început în 1985. Proiectul a cunoscut noi progrese după înființarea organizației ITER în 2007 la care au aderat China, EU, India, Japan, S. Korea, Russia și USA. Centrala se construiește la Cadarache, Franța și se estimează să atingă o putere de 500MW și un factor de câștig de Q=5-10 pe o perioada de 30 de ani.

Construirea fundației pentru clădirea viitorului reactor Tokamak - Cadarache, februarie 2014.

Din păcate, energia termonucleară (la fel ca și alte forme de energie) a fost deja folosită în scopuri militare și anume în crearea bombei cu hidrogen.