Un mic soare în laborator

Pentru un scurt moment, pe 10 decembrie sistemul nostru solar a avut doi sori: cel mare, acolo unde-l știm cu toții, strălucind pe cer în același loc de miliarde de ani, și încă unul mic, efemer, mult mai slab, creat în stelarator-ul Wendelstein 7-X din Germania. Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Fizica Plasmei au transformat un miligram de heliu într-o plasmă ce a atins aproape un milion de grade Celsius.

Să conștientizăm mai bine cifrele: un miligram de heliu, o cantitate mai mică decât am putea simți în palmă chiar și dacă ar fi vorba de un solid, nu de un gaz, a fost eliberată în stelarator și încălzită cu un puls de microunde de 1,3 megawatti. Acel miligram de gaz a produs o plasmă cu temperatura de 1.000.000 Kelvin (999.726 grade Celsius) pentru 0,1 secunde, suficient pentru a fi observată de senzori și chiar fotografiată.

Un stelarator este un dispozitiv în care se produce fuziune nucleară, iar Wendelstein 7-X este construit în Greifswald, Germania, cu un cost de un miliard de euro și după vreo 20 de ani de planificare și cercetare. După cum îi spune numele, produce cam aceleași procese fizice precum cele ce au loc în mijlocul unei stele, iar temperatura atinsă acum de plasmă este o nimica toată, 7-X-ul fiind gândit pentru plasmă de 100 de milioane Kelvin susținută pentru chiar și 30 de minute.

Ideea este că fuziunea nucleară poate produce o cantitate uriașă de energie, mai exact un singur gram de hidrogen ai cărui atomi încep să fuzioneze produce tot atâta energie cât 11 tone de cărbune, în jur de 90.000 kWh. Da, dintr-un gram. Și apropo de stele, Soarele nostru consumă în fiecare secundă 620 de milioane de tone de hidrogen, în timp ce eu mai devreme vorbeam de un singur gram de hidrogen.

Până acum, toate centralele nucleare din lume folosesc fisiune nucleară, adică spargerea unui atom greu, precum cel de uraniu, proces ce eliberează foarte multă energie. Știți riscurile lucrului cu uraniu, nu trebuie să vi le mai spun eu. Fuziunea este un proces mult mai curat, forțând atomii de hidrogen să fuzioneze pentru a crea următorul element din tabelul periodic, heliumul, doar că momentan nu stăpânim tehnologia pentru așa ceva, fiind nevoie de plasmă la 100 de milioane Kelvin și ceva manipulări de materie ca-n câmpurile de forță din Star Trek.

Asta încearcă Wendelstein 7-X să realizeze: plasmă de peste 100 de milioane de Kelvin și o fuziune susținută chiar și 30 de minute prin încălzirea constantă cu microunde, pentru a demonstra că fuziunea poate fi întreținută pe perioade lungi de timp, obținând astfel energie electrică multă și curată, ca-n filmele SF.

Cum face asta? Mai impresionant decât fizica pe care o pune în practică stelaratorul este fizica necesară pentru a fi construit. Vedeți, nu poți lăsa plasmă de un milion sau de o sută de milioane de grade Celsius să atingă pereții vasului în care se realizează experimentul, nu musai pentru că i-ar topi, dar pentru că s-ar răci imediat și procesul ar fi întrerupt.

Pentru asta, e nevoie ca acele particule, acel miligram de heliu și viitoare grame de hidrogen să fie ținute în centrul vasului, iar asta se face încărcându-le magnetic și apoi înconjurând vasul cu bobine, adică făcând un câmp magnetic ce ține atomii acelui gaz în centru, atrăgându-i simultan din toate părțile.

Ingenios, dar nu chiar atât de simplu. Atomii respectivi or sta în centrul vasului, dar au tendința să plece în față de la aceleași câmpuri magnetice, așa că soluția imediată este ca în loc de o conductă cu un cap și o coadă să faci un inel, un tor, astfel încât atomii să circule pe acolo în cerc, la nesfârșit, dar mereu prin centrul inelului, ținuți departe de pereți prin intermediul câmpurilor generate de bobine multiple.

Ingenios, dar nu chiar atât de simplu. În timp atomii se apropie de un perete, fiind imposibil ca un camp magnetic să fie astfel variat încât să compenseze efecte secundare precum curbura inelului în timpul lucrului cu atomi, așa că acest lucru este compensat prin faptul că stelarator-ului îi este dată o formă ceva mai neregulată. Nu mai este un inel perfect, ci unul alungit, cu mici cotituri și în cealaltă direcție. La final, arată ca un circuit de curse, inclusiv cu răsuciri unde câmpul magnetic se inversează.

Forma aceasta nu doar că este calculată la milimetru, dar construcția ei este dificilă. Wendelstein 7-X are vreo 5 metri în diametru, dar îmbinarea prin sudură a elementelor s-a făcut prin tot felul de metode high-tech de alinierea cu laser și compensare a unor fenomene minore ce apar în astfel de cazuri. Bobinele care înconjoară “circuitul” atomilor, 50 la număr și făcute din niobiu-titaniu, plus alte 20 planare, sunt răcite la -269 grade Celsius pentru superconductivitate și menținute acolo de instalații uriașe de răcire, în timp ce alte instalații disipă căldura generată. În total 425 de tone de metal sunt ținute la această temperatură. 250 de ferestre au fost create în pereții circuitului pentru ca interiorul să fie monitorizat cu senzori și camere foto.

Iar acum stelarator-ul a făcut un mic test, ceva subțirel, doar 1,3 MW în microunde, doar un miligram de heliu și doar un milion de grade pentru plasma obținută. La anul vor continua experimentele folosind  hidrogen.

Dacă vreți să aflați mai multe, vă recomand câteva site-uri:

• ce este fuziunea nucleară. În stânga sunt toate etapele explicației.
• etapele construcției Wendelstein 7-X. Click pe More pentru detaliile fiecărei etape.
• anunțul oficial al primului experiment.
• ITER, un proiect încă în dezvoltare ce va genera mai multă energie din fuziune decât folosește pentru a o întreține. Practic, prima centrală electrică experimentală pe fuziune nucleară.
• ce este plasma.