Revista >> Martie 2019 [Nr. 212] >> Cover Story

INFLPR: 20 de ani de cercetări în fuziunea nucleară via EURATOM

Alexandru Batali

20 Martie 2019

După 1989, EURATOM este proiectul european cu cea mai mare longevitate în cercetarea românească. Gândit pe termen lung, predictibil, beneficind de finanţare continuă, Programul European de Fuziune este un model de cercetare inteligentă, sustenabilă, care a asigurat dezvoltarea domeniului în ţara noastră, consistent pus în valoare de Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR), singurul INCD românesc cu misiune de fuziune. Specialiştii institutului şi-au asumat de la început statutul şi responsabilitatea de team leader şi au demonstrat că au resursele şi calităţile necesare pentru a fi jucători de top în elita comunităţii europene de fuziune, adăugând pe parcurs noi straturi de competență. La 20 de ani de la debutul programului EURATOM, INFLPR polarizează o expertiză bogată, evoluează pe o suită de nişe ştiinţifice de avangardă şi continuă consolidarea leadership-ului naţional şi regional în domeniul fuziunii nucleare.

Miza internaţională
În prezent, studii detaliate identifică fuziunea termonucleară în plasma confinată magnetic drept cea mai avansată și credibilă soluție, cu șansele cele mai mari de reușită în obținerea de energie, bazată pe fuziunea nucleară a două nuclee atomice, cu eliberare de energie, într-o plasmă confinată magnetic, la temperaturi înalte.Obţinerea de energie electrică din fuziunea nucleară este una dintre cele mai promiţătoare opțiuni pentru viitorul energetic al omenirii, estimându-se că reuşita aceastei soluţii ar putea asigura energia electrică pentru milioane de ani, dintr-o sursă curată, fără niciun risc pentru mediu. Este şi motivul pentru care a primit un credit internaţional uriaş, mai multe puteri mondiale finanţând şi aşteptând până în 2050 realizarea prototipului demonstrativ (DEMO), al cărui succes depinde, într-o etapă intermediară cheie, de construirea celei mai avansate instalaţii de fuziune: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). ITER va fi cea mai complexă instalație tokamak (o structură toroidală cu linii de câmp magnetic elicoidale ce asigură menținerea plasmei cu parametri apropiați de cei necesari într-un reactor termonuclear) de la care se aşteaptă să producă, în regimul de reactor, o putere cu un factor 10 mai mare decât cea introdusă în plasmă. ITER este în construcție la Cadarache (în sudul Franței) şi va avea un cost estimat de peste de 25 miliarde de euro.
La nivel de cercetare, susţinerea fuziunii nucleare de către Europa şi cooperarea în domeniu se materializează, din anul 1999, în cadrul tratatului EURATOM, prin convenția europeană EFDA (European Fusion Development Agreement). Din 2014, cercetările de fuziune nucleară se desfăşoară în cadrul EUROfusion, proiect la care participă 26 de state membre ale UE, plus Elveția ca membru asociat, însumând aproximativ 40 de laboratoare de fuziune şi 100 de terțe părți.

Participarea naţională
România este parte activă a EURATOM şi EUROfusion încă de la înfiinţarea acestora.
Cercetarea europeană în domeniul fuziunii termonucleare reprezintă cel mai impresionant exemplu de integrare a eforturilor specifice din toate țările europene într-un proiect comun unic. În 1999, cu opt ani înainte ca România să devină membru al Comunității Europene, cercetarea științifică în domeniul fuziunii termonucleare controlate a fost identificată drept o direcție de colaborare în care România părea bine pregătită pentru a se ralia deja activităților europene. În luna decembrie a acelui an a fost semnat Contractul de Asociere a României la EURATOM şi a fost înfiinţată, în cadrul Institutului de Fizică Atomică (IFA), Asociaţia EURATOM România, condusă ştiinţific şi managerial de dr. Theodor Ionescu-Bujor. Asociaţia a reunit entităţile implicate la acel moment în cercetarea științifică din domeniul fuziunii nucleare: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi Radiaţiei Bucureşti (INFLPR), care a jucat şi joacă şi astăzi rolul central, Institutul de Fizică şi Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” Bucureşti (IFIN-HH), Universitatea din Craiova, Universitatea A.I. Cuza din Iaşi. Ulterior, alte entităţi s-au alăturat Asociației: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice şi Izotopice Rm. Vâlcea (ICSI), Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INFIM) Bucureşti, Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică (INOE), Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca. S-a realizat astfel dezvoltarea unei rezerve naţionale de competenţă în vederea viitoarei exploatări a unui sistem energetic bazat pe fuziune şi de asemenea creşterea competenței ştiinţifice şi tehnice pentru proiectarea, construcţia şi exploatarea unor instalaţii de fuziune.

Leadership autentic
În cei 20 de ani de evoluţie EURATOM (în cadrul EFDA și respectiv EUROfusion), INFLPR s-a afirmat ca team leader al României. Aceasta poziţionare a fost una naturală, institutul fiind singurul INCD cu misiune de fuziune şi demonstrând din plin că rolul central pe care îl ocupă are legitimitate.
Astfel, de la înfiinţarea Unității de cercetare a Asociației EURATOM – România, toţi liderii de Asociaţie din partea României au fost membri ai laboratorului de fuziune nucleară din INFLPR. În peste 80 % dintre proiectele câştigate de ţara noastră în EURATOM au fost şi sunt implicaţi cercetători din cadrul INFLPR. Din cele 13 pachete de lucru EUROfusion la care participă România, INFLPR a câştigat proiecte la 11 dintre acestea. Conducerea proiectelor pe cele 11 pachete de lucru este asigurată exclusiv de profesioniştii din cadrul institutului, chiar dacă în programe mai sunt implicaţi şi specialişti din alte instituţii româneşti.

De altfel, INFLPR este instituţia din Asociaţia EURATOM România cu cele mai multe resurse umane implicate. Din totalul de 65 de persoane care participă la proiectele de fuziune, 13 sunt cercetători de gradul I sau II, 4 sunt cercetători de gradul III, 30 sunt cercetători sau asistenţi de cercetare, deci tineri, restul personal cu studii medii. În ultimii 4 ani, 13 tineri cercetători au fost atraşi de oportunităţile de dezvoltare oferite de programul EURATOM şi s-au alăturat celor 11 echipe formate în INFLPR pentru cele 11 pachete de lucru. Cum se explică acest grad ridicat de atractivitate? „Fuziunea este printre puţinele domenii de cercetare în care poţi evolua fără întrerupere din momentul absolvirii facultăţii. Marile proiecte şi instalaţii europene de fuziune au nevoie de specialişti pentru perioade ce se vor întinde pe zeci de ani. Tinerii care intră în acest domeniu îşi joacă cariera lor pe viaţă. iar în România, INFLPR este cea mai importantă poartă de intrare în această lume”, afirmă dr. Ion Tiseanu, directorul științific al INFLPR. EUROfusion alocă anual între 7 şi 10% din fonduri pentru educarea şi formarea personalului, iar INFLPR poate astfel finanţa sau cofinanţa doctoranzi şi masteranzi. Pe parte didactică, alături de prof. dr. Gheorghe Dinescu, care are calitatea de conducător de doctorat, dr. Mădălina Vlad, dr. Florin Spineanu, dr. Ion Tiseanu şi dr. Teddy Crăciunescu sunt coordonatori de lucrări de masterat şi doctorat şi asigură formarea viitoarei generaţii de specialişti, fiind mentorii masteranzilor şi doctoranzilor care doresc să îmbrăţişeze o carieră în domeniul plasmei şi al fuziunii nucleare. Sunt trei generaţii de profesionişti care activează în INFLPR, primele două reuşind crearea, consolidarea şi perpetuarea unei şcoli în domeniul fuziunii nucleare.

Rolul de lider al Institutul este confirmat şi de cele mai bune rezultate, cunatificate prin producţia ştiinţifică rezultată: din totalul articlelor publicate de Asociaţia EURATOM România, ca urmare a activităţii în cadrul EUROfusion, INFLPR a contribuit la 85% dintre ele. Numărul mare de articole publicate, raportat la resursele de finanţare, a poziţionat România pe un onorant loc 5.
La nivel naţional, dar mai ales internaţional, INFLPR a reuşit să dezvolte o serie de nişe și competențe unice, acesta fiind probabil cel mai mare câştig pentru institut, în special, şi pentru cercetarea românească, în general.
O zonă de unicitate e reprezentată de perfecționarea celor mai avansate metode de acoperire pentru lucru în condiţii extreme, pentru materiale foarte diverse şi speciale, cum sunt beriliul şi wolframul.„Sunt cele mai puternice aplicaţii pe care industria aerospaţială şi cea nucleară, chiar şi cea auto, în cazul Formulei 1, ni le pot solicita”, consideră directorul științific al INFLPR.
Capacitatea cercetătorilor institutului de a extrage informaţii din scenariile de lucru ale tokamak-urilor, de a face predicţie şi stabilizare pentru un control inteligent al stabilităţii plasmei, reprezintă o altă nișă de perspectivă pe care s-a poziționat INFLPR.
Prin intermediul tomografiei industriale, INFLPR are cea mai mare experienţă în analiza multiscală. „Putem asigura acest lucru pentru microstructuri de ordinul micronilor şi ajungem până la cabluri de zeci de decimetri, în materie de cabluri supraconductoare. În acest proces nu sunt valorificate doar capabilitățile noastre pe parte de imagistică, ci şi capacitatea de a lucra cu algoritmi foarte avansaţi de postprocesare, de extragere a informaţiilor. Avem specialişti care ştiu să facă tomografie şi specialişti care ştiu să facă analiza avansată a datelor, din această complementaritate rezultând forţa grupului nostru”, apreciază dr. Ion Tiseanu.
„Institutul are expertiză avansată şi pe parte de modelare şi teorie a plasmei, precum şi competențe inginereşti foarte bune, care ne-au permis, de exemplu, să modernizăm instalaţii de spectometrie de la JET, cea mai mare instalație experimentală de fuziune din lume, sau să proiectăm şi să realizăm mecanic structuri şi componente pentru instalaţia lor tokamak. De asemenea, suntem printre puţinele entităţi de cercetare din EURATOM care poate asigura imagistica emisiei de neutroni termici&radiaţie gama din JET şi punem bazele algoritmilor imagistici şi metodelor care se vor folosi la ITER”, completează dr. Tiseanu.

Acumularea de competențe de vârf a fost posibilă în INFLPR prin suportul oferit de cea mai complexă şi modernă infrastructură de fuziune dezvoltată în România, în care se investesc periodic sume consistente. În institut au existat însă importante facilităţi de fuziune cu mult timp înainte de existenţa EURATOM, care au asigurat formarea primei generaţii de specialişti din ţara noastră. În prezent, infrastructura creată de Institutul de plasmă din Măgurele asigură şi consolidarea legăturii cu industria şi acoperirea death valley, acea zonă critică în care cercetătorii lucrează împreună cu reprezentanţii mediului economic pentru a dezvolta tehnologii şi a le transfera pe piaţă. Cei mai buni cercetători din INFLPR, care au obţinut în EURATOM cele mai bune rezultate pe parte de acoperiri în condiţii extreme, sunt totodată cei care au proiectat şi gândit funcţionarea noilor laboratoare de acoperiri extreme, în urma câştigării de către institut a unui proiect din POC de 68 de milioane de lei, menit să asigure accesul industriei la aceste facilităţi şi să crească gradul de atractivitate faţă de partenerii din EUROfusion.
INFLPR se distinge şi prin faptul că este singura entitate de cercetare din România care are un Laborator de Fizica Plasmei și Fuziune Nucleară. „Suntem singurul institut naţional cu specific de plasmă. Mai există grupuri de cercetare pe plasmă în ţară, la Universitatea din Iaşi fiind cel mai consistent, dar alte INCD-uri cu laborator de plasmă nu sunt în România. De altfel, INFLPR are două astfel de laboratoare, denumite 26 şi 22, unul dedicat cercetărilor plasmei pentru temperaturi joase, celălalt orientat spre cercetarea plasmei la temperaturi ridicate. Activităţile din cadrul acestor laboratoare acoperă întreg ciclul, de la cercetare fundamentală şi teoretică, până la cea aplicativă şi generare de tehnologii şi produse. Istoric, cercetările au fost iniţial de fizică teoretică. În timp s-au adaugat componente de tehnologii suport şi de diagnostic, skills-urile noastre dezvoltându-se şi adaptându-se pe parcurs la direcţiile de interes din competiţiile EUROfusion”, subliniază dr. Teddy Crăciunescu.

Proiecte de referinţă
Care sunt însă competențele şi proiectele de succes prin care cercetătorii din cadrul INFLPR au reuşit să se afirme în comunitatea europeană de fuziune?
O componentă fundamentală în cercetarea de fuziune este înțelegerea și descrierea cantitativă a proceselor din plasma confinată magnetic, adică studiul teoretic. Transportul şi eliminarea pierderilor de energie sunt factori decisivi pentru atingerea regimului de reactor, iar agentul care provoacă transportul este turbulența plasmei. Grupul din România care a avut prima implicare în acest domeniu s-a concentrat pe studiul statisticii particulelor de test în turbulența undelor de drift, instabilitatea care domină evoluția plasmei confinate provocând cele mai mari fluxuri de pierderi de energie. „Realizarea principală a INFLPR este dezvoltarea unei abordări originale, numită „Metoda Traiectoriilor de Decorelare”, capabilă să considere efecte de capturare a particulelor în fluctuațiile câmpului electric. Metoda a fost aplicată pentru numeroase regimuri relevante și și-a dovedit utilitatea în caracterizarea difuziei dinamice. A fost adoptată în alte grupuri de cercetare și a devenit o referință în ansamblul studiilor de turbulență. A fost de asemenea aplicată pentru plasma astrofizică”, afirmă dr. Mădălina Vlad şi dr. Florin Spineanu, specialişti INFLPR în teoria plasmei şi fuziunii, foşti conducători ai Asociaţiei EURATOM România.
Evoluţia neliniară a instabilităţilor MHD, în care plasma atinge peretele tokamak, duce, pe durata câtorva ms, la o cădere dramatică a curentului din plasmă. Sunt creaţi electroni liberi foarte energetici şi, în final, se ajunge la pierderea globală a confinării, adică la o disrupţie majoră. Necesitatea cercetării acestor instabilităţi rezidă în faptul că în tokamakul ITER apariţia unui număr, fie el şi limitat, de disrupţii majore va duce la distrugerea definitivă a camerei de reacţie, fără posibilităţi de refacere. „În cadrul unei cooperări cu Laboratorul de Fizica Plasmei din Princeton, SUA, şi Institutul Max Planck pentru Fizică Plasmei din Germania, am elaborat un model matematic de descriere a modului în care curenţii din plasmă curg pe suprafeţele camerei de reacţie a tokamak-ului, model ce reprezintă cheia de bază a înţelegerii şi modelării disrupțiilor”, declară dr. Călin Atanasiu, expert INFLPR în cercetarea fundamentală.
După cum evidenţiam anterior, ITER este o componentă cheie în demonstrarea fezabilităţii programului de fuziune ca sursă de energie pentru viitor. Cum proiectul este de o anvergură fără precedent, o serie de proiecte pregătitoare au fost derulate în avans. Dintre acestea se remarcă proiectul ILW (ITER Like Wall) derulat la JET (Joint European Torus), cel mai mare tokamak operaţional din lume, construit la Culham, în Anglia. Acest proiect a implicat trecerea de la peretele de carbon la un perete metalic, constituit în principal din straturi de wolfram (W) depuse pe materiale carbonice şi plăci de beriliu. Pentru a identifica cea mai bună tehnologie de acoperire cu W a plăcilor din CFC (Carbon Fibre Composite), compozit ramforsat cu fibre de carbon, și de acoperire cu Be a plăcilor de Inconel în cadrul experimentului JET ITER Like Wall, s-a lansat în 2005 o competiţie la care au participat 5 Asociaţii EURATOM din Europa (IPP Garching, CEA Franţa, ENEA Italia, TEKES Finlanda şi MEdC România) şi firme specializate în acoperiri cu W si Be. „La acest proiect, din partea Asociaţiei române a participat grupul de Ingineria Suprafeţelor în Plasmă și grupul Procese Elementare în Plasmă și Aplicații din INFLPR. În urma programului de testare şi evaluare a straturilor depuse, proces care a implicat printre altele şi testarea la fluxuri termice intense a straturilor de W și Be la temperaturi de până la 2000 °C şi cicluri termice până la 1500-1600 °C, tehnologiile elaborate de grupurile de la INFLPR au fost declarate câştigătoare. Tehnologia elaborată pentru depuneri de W se bazează pe o combinaţie între depunerea magnetron şi implantarea ionică (CMSII- Combined Magnetron Sputtering and Ion Implantation)”, ne informează dr. Cristian Ruset, fostul șef al Laboratorului de Fizica Plasmei și Fuziune Nucleară și al colectivului „Ingineria Suprafețelor în Plasmă”, în timp ce tehnologia pentru depuneri de Be pe Inconel și pe „cărămizi inteligente” a fost dezvoltată pe baza metodei de depuneri TVA (Thermionic Vacuum Arc), subliniază dr. Cristian Lungu, șeful colectivului Procese Elementare în Plasmă și Aplicații. După câştigarea acestei competiţii a urmat o fază de dezvoltare în care s-au construit în INFLPR, plecând de la instalaţiile experimentale de laborator, instalaţii industriale capabile să asigure condiţiile de depunere solicitate de JET (dimensiuni de piese, uniformitate a stratului, productivitate, control al calităţii, etc.). În toamna anului 2008 s-a început aplicarea tehnologiilor elaborate la piese de la peretele JET. Aceste lucrări s-au terminat în toamna anului 2010, după acoperirea unui număr de cca. 1800 piese din CFC cu straturi de W de 10-15 µm şi 20-25 µm și a unui număr de cca. 1000 de piese din Inconel cu straturi de Be de 10 µm. Au fost dezvoltate de asemenea și inserate în peretele JET- ILW peste 40 de plăci marker Be/Ni/Be. În total, valoarea lucrărilor a fost de peste 1.500.000 €, din care contribuţia UE a fost de 70%, iar contribuţia părţii române (MEdC) de 30%. „Datorită rezultatelor remarcabile obţinute în cadrul proiectului ILW, metoda de acoperire cu straturi de W a fost adoptată şi pentru peretele tokamak-ului ASDEX Upgrade (AUG) de la IPP Garching, Germania. Din 2008, IPP Garching a schimbat furnizorul pentru acoperirea cu W a plăcilor din FGG (Fine Grain Graphite), începând să utilizeze tehnologiile CMSII. Ulterior, acelaşi material a fost folosit pentru divertorul cu răcire inerţială de la tokamak-ul WEST, CEA (Comisariatul pentru Energie Atomică), Cadarache, Franţa. Colaborarea cu partenerul francez s-a derulat din anul 2014 şi s-a încheiat în anul 2016 cu livrarea ultimelor componente din FGG acoperite cu straturi de W. Până în prezent s-au acoperit în INFLPR peste 4700 de plăci din materiale carbonice pentru primul perete de la instalaţiile de fuziune nucleară din lume. De asemenea, în ultimii ani s-a dezvoltat şi aplicat o tehnologie nouă de producere a unor straturi marker C/Mo pentru măsurarea eroziunii peretelui la stellarator-ul Wendelstein 7-X (Institutul Max-Plank de Fizica Plasmei, Greifswald, Germania). Testele comparative de încărcare termică la 1400°C, efectuate cu straturi similare produse de alţi trei fabricanţi, au demonstrat că markerii C/Mo produşi în INFLPR au fost singurii care au rezistat la aceste conditii extreme”, ne spune dr. Eduard Grigore, actualul Șef al Laboratorului de Fizica Plasmei și Fuziune Nucleară și al colectivului „Ingineria Suprafețelor în Plasmă”.

Mai mult decât atât, „în cadrul pachetelor de lucru, INFLPR este implicat activ în analizele post expunere la plasma de fuziune ale acestor materiale, secționarea probelor martor expuse în reactorul de fuziune JET (Culham, UK), precum și caracterizarea lor prin metode specifice. A fost investigat comportamentul din punct de vedere al desorbției și retenției deuteriului din straturile subțiri cu conținut de beriliu, care au incluziuni gazoase similare celor din reactorul de fuziune, straturi obținute în laborator prin co-depunerea beriliului și a gazului deuteriu neutru sau ionizat. Capabilitățile metodelor științifice implementate au atras interesul specialiștilor de la ITER Physics Department, care au solicitat în mod constant studii privind acoperirile de beriliu cu incluziuni gazoase, acest lucru materializându-se în contracte economice cu o valoare de peste 200.000 euro”, apreciază dr. Corneliu Porosnicu, responsabil cu valorificarea cercetărilor în cardul colectivului PEPA.
„INFLPR este activ implicat în exploatarea ştiinţifică a instalaţiilor tokamak din Europa - JET (Marea Britanie), ASDEX-UG (Germania), WEST (Franţa) şi TCV (Elveţia) - și a condus mai multe proiecte de modernizare a unor instalaţii spectrometrice avansate de la JET, destinate experimentelor ce studiază confinarea particulelor alfa în plasmă, factor esenţial în obţinerea fuziunii nucleare cu aplicaţii în energie. Proiectele au implicat coordonarea activităţii unor laboratoare de prestigiu din Marea Britanie, Austria, Italia, Portugalia, Polonia şi Slovenia. INFLPR a dezvoltat şi un pachet variat de metode pentru diagnostica plasmei: tomografie computerizată de emisie gama, de neutrini şi bolometrie, şi a pus totodată la punct metode de procesare a imaginilor şi inteligenţă artificială pentru prevenirea disrupțiilor în plasmă, metode de analiză a cauzalităţii unor fenomene fizice prin analiza seriilor temporale”, completează dr. Teddy Craciunescu, responsabilul ştiinţific al Asociației EURATOM România.