1. INTRODUCERE

1.1 Generalitati

Dezvoltarea societatii umane de-a lungul secolelor a fost strans legata de dezvoltarea mijloacelor de producere a energiei, de cantitatea de energie consumata. Este edificator, in acest sens, nu numai faptul ca inceputurile revolutiei industriale sunt legate de construirea primei masini de abur capabila sa produca energie mecanica, in principiu, in orice loc si in orice moment, ci si faptul ca intreaga evolutie a societatii industriale este strans impletita cu dezvoltarea de noi resurse si forme de energie.

O scurta analiza a datelor privind evolutia societatii ne arata corelarea din ce in ce mai puternica a nivelului de trai al oamenilor cu productie de energie. Datele oficiale publicate in diverse tari, privind venitul mediu pe cap de locuitor si consumul de energie pe cap de locuitor, au permis construirea unui grafic foarte sugestiv. Astfel, daca reprezentam pe axa verticala venitul mediu pe cap de locuitor, in dolari pe an, iar pe axa orizontala consumul mediu de energie pe cap de locuitor, exprimat in tone conventionale de carbune, atunci pentru fiecare tara va aparea pe grafic cate un punct (Fig.1). Asa cum se vede in figura 1, nivelul de trai intr-o tara este direct legat de productia de energie din tara respectiva. Statele Unite, de exemplu, care au numai 6% din populatia globului, consuma peste 30% din productia mondiala de energie. In Europa, consumul mediu de energie pe cap de locuitor este echivalent cu aproximativ 1000 de kg carbune, fata de 300 kg carbune ce revine pe locuitor in Africa.

In perioada actuala, necesitatile de energie electrica ale tarilor industrializate se dubleaza la fiecare 10 ani. Chiar daca se presupune o incetinire a exploziei demografice, vor fi necesare alte surse de energie, decat combustibilii clasici sau hidroelectricitatea. Fisiunea nucleara aduce in mod cert o solutie, dar problemele de securitate si de stocare a deseurilor radioactive pe care aceasta solutie le aduce o fac neutilizabila pe timp lung. Energia de fuziune, daca ea ar putea fi stapanita in laborator, ar permite sa se rezolve in mare parte aceste probleme.

Tinand seama de rezervele cunoscute si de cele estimate, tipurile de energie existente asigura necesitatile de energie ale omenirii astfel (tabelul 1) :

Energia fosila pune, in primul rand, problema poluarii atmosferice pe care ea o aduce si, in al doilea rand, problema epuizarii combustibililor clasici.
Sursele inepuizabile (cum ar fi energia solara) sunt destul de limitate pentru a satisface nevoile de energie existente.
Energia de fisiune ridica problema securitatii atat in privinta accidentelor posibile, cat si in privinta cantitatii materialelor radioactive in circulatie.
Avantajele unui reactor de fuziune fata de un reactor de fisiune constau in abundenta combustibilului, costul scazut al materiei prime si speranta unei conversii directe a acesteia in energie electrica.

Fenomenul fundamental al fuziunii termonucleare se produce cand doua nuclee ale atomilor usori se ciocnesc si formeaza un nucleu mai greu. Aceste reacti de fuziune degaja o cantitate mare de energie.

Cercetarile asupra reactiilor de fuziune isi au origine in doua domenii de cercetare care au luat nastere in anii 1920 si 1930: astrofizicienii au sugerat, pentru prima data, ca reactiile de fuziune termonucleare au loc la scara stelara si fizicienii nuclearisti au pus in evidenta reactiile dintre nucleele elementelor usoare care sunt posibile la energii de (10-100) keV, comparabile cu cele eliberate in stele.
Cheltuielile efectuate pentru obtinerea fuziunii nucleare controlate au fost de 108 $ pe an, pana in 1975, din care Europa de Vest are 25%, U.R.S.S.30%, S.U.A 40%, iar celelalte tari 5%. In ultimul timp aceste cheltuieli au deposit 5•109 $ pe an, repartitia pe tari mentinandu-se.

1.2 Cateva notiuni despre starea de plasma

Desi experienta noastra personala ne arata ca materia se gaseste intr-una din cele trai stari de agregare, cu care suntem obisnuiti, solida, lichida sau gazoasa, in realitate starea cea mai frecventa in care se afla materia in univers este starea de plasma – cea de a patra stare a materiei.

Dupa cum stim, materia este constituita din particule foarte mici -atomii- avand dimensiunile de ordinul unei milionimi dintr-o zecime de milimetru. In jurul unui nucleu central, de dimensiuni cu multe ordine de marime mai mici decat dimensiunile atomului, se afla in miscare continua un numar mare de electroni. Pentru o mai buna intelegere a procesului de realizare a starii de plasma, si anume ciocnirea inelastica dintre particule se face analogie cu ciocnirea unor bile elastice. Cat de dese sunt asemenea ciocniri depinde, evident, de cati de multi atomi sunt in unitatea de volum din gaz.. Astfel in tabelul 2 este dat numarul de ciocniri pe care le sufera intr-o secunda un atom cu alti atomi de neon la diverse presiuni.

Pentru a caracteriza plasma este necesar sa tinem seama de temperatura si densitatea acesteia. Daca vom face un tabel in care reprezentam caracteristicile plasmei in functie de temperatura acesteia, considerand un litru de deuterium, vom avea urmatoarea situatie (tabelul3). Rezultatele din talelul 3 sunt doar estimative. In cazul unor calcule mai exacte va trebui sa se tina seama de pierderile de energie prin radiatie.

2.1 Bazele fizice ale reactiilor termonucleare

Fuziunea termonucleara controlata este astazi calea cea mai promitatoare pentru energetica viitorului, realizarea ei urmand sa asigure, pe o perioada practic nelimitata, intreg necesarul de energie al omenirii, utilizand drept combustibil hidrogenul greu din apa.

Elementul de baza pentru reactia de fuziune este atomul de hidrogen, care este format dintr-un nucleu incarcat pozitiv, in jurul caruia se roteste un electron. Exista si un hidrogen de doua ori mai mai greu – izotop al hidrogenului, cu denumirea de deuteriu – care are aceleasi proprietati cu hidrogenul descris mai inainte, dar al carui nucleu este alcatuit dintr-un proton si un neutron, acesta din urma fiind o particula practic de aceeasi greutate ca ptotonul, neutra din punct de vedere electric. Exista si un izotop si mai greu al hidrogenului, denumit tritiu, si al carui nucleu are un proton si doi neutroni.

Reactia de fuziune in care din cele doua nuclee de hidrogen greu se obtine un nucleu de heliu s-ar putea reprezenta ca in figura 3.

Fig. 3. Reactia de fuziune deuteriu – deuteriu

Dupa cum se vede din reactia aratata mai sus, la ciocnirea a doua nuclee de deuteriu rezulta un nucleu de heliu (particula α), cu o energie de 0.82 MeV, si un neutron liber, care are o energie de 2.45 MeV. Masa elementelor care intra in reactie este mai mare decat masa elementelor rezultate, defectul de masa regasindu-se in conformitate cu relatia lui Einstein in energia particulelor rezultate:

Fig. 4. Reactia de fuziune deuteriu – tritiu

2.2 Instalatii pentru realizarea reactiei termonucleare controlate

Desi in prezent cele mai promitatoare cai pentru obtinerea reactiei termonucleare par sa fie numai doua, si anume fuziunea in instalatii de tip Tokamak si fuziunea cu radiatie laser, exista si cateva instalatii experimentale facute in laborator in directia reactiei termonucleare controlate.

a) Instalatia cu capcana magnetica

Limitarea plasmei fata de peretii tubului se poate face cu ajutorul instalatiei cu oglinzi magnetice. Intr-o asemenea configuratie a campului magnetic nu exista nici o limitare pentru pierderile de particule din plasma pe la capetele tubului. Aceste pierderi pot fi diminuate alegand o forma speciala a campului magnetic la capetele tubului, realizandu-se asa-numita capcana magnetica. O asemenea configuratie se poate realiza alegand cete o bobina suplimentara, asezata la fiecare capat al tubului ce contine plasma. In asemenea configuratie de capcana magnetica exista inca pierderi de particule incarcate pe la capetele tubului, calculele aratand ca aceste pierderi au loc pentru particulele care se apropie de extremitati pe o directie apropiata de axa tubului.

b) Instalatia de fuziune tip Tokamak

Configuratia anterioara de capcana magnetica prezenta inconvenientul de a permite pierderi de particule pe la capetele tubului. O idee pe cat de simpla pe atat de ingenioasa a eliminat acest inconvenientunind capetele tubului cu plasma, care va arata ca un covrig (figura 5). Plasma din interiorul acestui tub inelar, denumit tor, va fi mentinuta departe de peretii incintei toroidale de catre campul magnetic produs de curentul ce trece prin bobinajul cu care este infasurat.

Pentru a intelege modul in care se realizeaza plasma de temperatura inalta in instalatia Tokamak, vom face referire la figura 6.

Plasma care se afla in torul de raza R formeaza secundarul unui grup de transformatoare dintre care in figura se arata numai unul. In plasma, care dupa cum se stie poate fi considerata un conductor, apar curenti de inductie asa cum apar in secundarul oricarui transormator. Acesti curenti de mare intensitate duc la incalzire ohmica a plasmei.

In acelasi timp, curentul care trece prin preajma produce un camp magnetic, liniile de camp magnetic fiind cercuri concentrice in jurul snurului de plasma, camp care poarta denumirea de camp magnetic poloidal.

Fig 5. Forma incintei toroidale cu plasma (instalatie tip Tokamak)

Deoarece acest camp nu este suficient de mare pentru a asigura stabilitatea plasmei si cu cat mai putin confinarea ei, torul care contine plasma trece printr-un numar de bobine care produc un camp magnetic intens toroidal de-a lungul snurului de plasma.

Cele aratate aici reprezinta desigur o imagine principala si mult simplificata a instalatiei Tokamak.
Experientele efectuate au aratat ca, in asemenea instalatii, prin incalzirea plasmei pe cale ohmica nu se poate atinge o temperatura a plasmei de 3 keV (30 milioane de grade), fata de necesarul de 5 keVpentru a porni reactii termonucleare. Solutia propusa si pentru care se face cercetari intense in prezent este ca restul de energie sa fie introdus prin injectarea in Tokamak de particule neutre de deuteriu si tritiu, dar care sa aiba energii cat mai mari.

3. REACTORUL DE FUZIUNE TERMONUCLEARA

3.1 Constructia reactorului de fuziune

Cercetatorii au facut –deja – lucrari asupra problemelor care se pun in domeniul ingineriei conceptiei unui reactor cu fuziune deuterium-tritiu. Calculul parametrilor acestor reactori se face tinand seama de urmatoarele considerente:
– se considera ca o mare parte din energia termonucleara eliberata se prezinta sub forma de energie cinetica a neutronilor rapizi. Aceasta poate fi exploatata numai prin cicluri termice conventionale.
– energia particulelor incalzite se poate utilize atat pentru conversie directa in energie electrica cat si pentru inclazirea combustibilului deuterium-tritiu rece pana la temperatura de reactie necesara autointretinerii unui reactor.
-pentru a produce campurile magnetice necesare confinarii plasmei trebuie sa se utilizeze bobine supraconductoare care trebuie sa fie bine protejate contra fluxurilor de neutroni rapizi.
-studiile asupra dispersiei si absorbtiei neutronilor au dus la concluzia ca trebuie sa existe o patura de protectie cu grosimea de cel putin un metru.
– ordinul de marime pentru cea mai mare dimensiune a configuratiei de confinare va fi determinate de marimea ansamblului reactorului.
-acoperirea peretilor, care contin litiu pentru a crea tritium, vor fi parcurse de circuite de fluid schimbator de caldura destinate extraceri de energie. Ca fluid se prefera sarea Li2BeF4, florula de litiu si de beriliu topita sau litiu lighid.
-intreplacile de protectie va exista un spatiu vidat ai carui pereti sunt supusi la radiatii intense.
-ruperea prin obosire si dilatare termica diferentiala a materialelor limiteaza fluxul energetic la 107 Wm-2.
-valorile coeficientului de difuzie normale si raportul presiunii campului magnetic la cea a plasmei (pentru a asigura confimarea acesteia) dicteaza optimizarea campurilor si dimensiunile reactorului.
Figura 7 este o schita generala care arata o sectiune in camera unui posibil reactor de fuziune de tip Tokamak, in se presupune ca are loc reactia termonucleara.

Fig.7 Reprezentarea schematica a constructiei reactorului de fuziune TFR

3.2 Conditii de functionare pentru un reactor de fuziune nucleara

Realizarea unei reactii termonucleare este echilibrata cu obtinerea unei “stele” in laboratoarele terestre, adica, obtinerea plasmei termonucleare.
In esenta oricare reactie exoenergetica se poate autointretinere fie printr-un proces de tip comustie (cazul reactilor nucleari), fie printr-un proces de tip explozie(cazul bombei atomice).
Fuziunea nu este – in mod fundamental – diferita: deosebirea principala rezulta din viteza de propagare a fenomenelor. In cazul combustiei, analog cu cel al fuziunii nucleare, punctual de aprindere este atins atunci cand caldura degajata de combustie este destul de mare pentru a mentine reactia.
Este stiut ca pentru a realize orice combustie continua, trebuie indeplinite conditiile:
-combustibilul sa fie adus la o temperatura superioara punctului sau de aprindere.
-cantitatea de combustibil sa fie suficienta pentru ca pierderile sa fie inferioare energiei degajete si pentru ca reactia sa se autointretina.
-caldura produsa pe aceasta cale trebuie sa fie “controlata”, adica, sa serveasca – de exemplu- la vaporizarea apei si la incalzirea vaporilor produsi pentru a reliza o masina puternica.
Conditiile de realizat pentru a mentine o reactie de fuziune si a realize un reactor “termonuclear” sunt analoage.
-mai intai, se va incalzi combustibilul nuclear, sub forma de plasma, pana la punctual de aprindere (cateva sute de milioane de grade).
-se va mentine la aceasta temperatura un timp destul de lung pentru ca reactiile de fuziune se degaja o cantitate suficienta de energie.
-in fine, se va extrage si se va utilize aceasta energie.
O conditie absolut necesara este ca reactia de fuziune sa fie exoenergetica (figura 8).
Reactia de fuziune nucleara va fi cu atat mai exploatabila, cu cat pentru un proiectil de energie cinetica data, sectiunea sa eficace va fi mai mare. Experimental, reprezentand sectiunea eficace a reactiilor termonucleare cele mai favorabile functie de energia deuteronului incident, se constata ca reactiile(D-T),  (D-He₂³) raspund cel mai bine la aceasta conditie.
Se pune problema determinarii temperaturii la care trebuie adusa plasma de deuteriu pur sau al unui amestec echiatomic de deuterium si tritiu, pentru ca agitatia termica sa fie astfel incat energia cinetica relativa medie a deuteronilor sa poseda o valoare pentru care sectiunea eficace a reactiei (D-D), respectiv (D-T) sa fie suficienta .
Notand cu  ﻉ_c energia cinetica medie a constituentilor, avem =2/3k_BT, unde k_B =1,38041·10^-23J^-1.

Spre deosebire de acceleratori unde se poate realiza usor un fascicul de deuteroni de 1 ke V, in acest caz este vorba de o agitatie termica dezordonata. Astfel, temperatura este caracterizata de energia medie a agitatiei termice dezordonata, termenul exact fiind cel de “temperature cinetica”.
Conditia necesara de functionare a unui reactor de fuziune nucleara cere ca energia produsa prin reactii termonucleare sa fie mai mare decat diversele pierderi de energie. In cele ce urmeaza se neglijeaza pierderile prin conductivitate.
In plasma nu exista pierderi prin ionizare, dar gazul radiaza si energia pierduta -astfel- poate fi considerabil mare . Majoritatea acesteia este formata din radiate X de franare produse de ciocnirile electronilor cu nucleele plasmei. Pierderile prin radiatie la transformarea suprafetei exterioare a plasmei au loc printr-un mecanism analog cu cel de la reactorii de fisiune; peste o anumita valoare critica a volumului, pierderile devin inferioare cantitatii de energie produsa. Din calcule rezulta masa critica de aceasi ordine de marime cu cea a unei stele.

Bibliografie

1. C. Kittel, Introducere in fizica corpului solid, Editura Tehnica 1972;
2. E. Badarau, I. Popescu, Gaze ionizate, Editura Tehnica 1965;
3. L. Ribe, Review of modern physics, 1964;
4. G. Musa, Plasma si viitorul energeticii, Editura Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1979;
5. I. Popescu, Fizica, Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti, 1983;
6. http://www.efda.org
7. http://www.iter.org/fusioncd/fusion_en.swf
8. http://www.jet.efda.org/pages/content/fusion1.html
9. E. Bandaru, Gaze ionizate, Editura Tehnica, Bucuresti, 1963;
10. I. Popescu, Fizica. Particule elementare, Centrul de multiplicare al Institutului Politehnic Bucuresti, 1980;
11. T. G. Cowling, Magnetohydrodynamics, Interscience Publisher, New York, 1960;
12. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
13. http://www.atomicarchive.com/almanacmenu.shtml
14. http://www.nei.org/index.asp?catnum=4&catid=18

NOTA IMPORTANTA: ARTICOLELE PUBLICATE IN PAGINA DE REFERATE AU SCOP DIDACTIC SI SUNT ELABORATE IN URMA UNEI DOCUMENTARI SUSTINUTE. ESTE STRICT INTERZISA PRELUAREA ARTICOLELOR DE PE SITE SI PREZENTAREA LOR LA ORELE DE CURS. Referatele din aceasta sectiune sunt trimise de diferiti colaboratori ai proiectului nostru. Referatele va sunt prezentate pentru COMPLETAREA STUDIULUI INDIVIDUAL, si va incurajam si sustinem sa faceti si voi altele noi bazate pe cercetari proprii.