Αμερικανικοί ισχυρισμοί για σημαντική πρόοδο

Επιστημονική ομάδα της Εθνικής Εγκατάστασης Εναυσης (National Ignition Facility ή NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Λίβερμορ των ΗΠΑ, σε δημοσίευσή της πριν από λίγες μέρες σε έγκριτο επιστημονικό περιοδικό, ισχυρίστηκε ότι πέτυχε τον σχηματισμό πλάσματος (υπέρθερμης κατάστασης της ύλης), στο οποίο πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, στο όριο πριν η αντίδραση γίνει αυτοσυντηρούμενη. Με άλλα λόγια, στο όριο πριν η παραγόμενη Ενέργεια να γίνει περισσότερη από την καταναλωνόμενη για τη συντήρηση της αντίδρασης. Πολλά ΜΜΕ παρουσίασαν με σχεδόν διθυραμβικούς τίτλους την ανακοίνωση αυτή, καθώς η Ενέργεια από πυρηνική σύντηξη είναι πιο ασφαλής και παράγει πολύ λιγότερα ραδιενεργά κατάλοιπα από την προερχόμενη από πυρηνική σχάση, ενώ το καύσιμο (δευτέριο και τρίτιο) είναι διαθέσιμο σε τεράστιες ποσότητες στους ωκεανούς της Γης.

Στο Λόρενς Λίβερμορ, που ασχολείται κυρίως με το πυρηνικό οπλοστάσιο των ΗΠΑ, εδώ και τουλάχιστον μισόν αιώνα επιστήμονες προσπαθούν να πετύχουν ωφέλιμη πυρηνική σύντηξη, στοχεύοντας με ακτίνες λέιζερ μια μικροσκοπική κάψουλα, που περιέχει δευτέριο και τρίτιο (ισότοπα του υδρογόνου), αποδίδοντας στο καύσιμο τεράστιες ποσότητες Ενέργειας, μέσα σε ένα φευγαλέο κλάσμα του δευτερολέπτου. Ετσι η θερμοκρασία του μείγματος ανεβαίνει σε 100 εκατομμύρια βαθμούς, περισσότερο δηλαδή και από το κέντρο του Ηλιου και οι πυρήνες των ατόμων δευτερίου και τριτίου συγχωνεύονται, σχηματίζοντας έναν πυρήνα ηλίου και ελεύθερα νετρόνια, εκλύοντας παράλληλα Ενέργεια με μορφή θερμότητας. Η αναφερόμενη πρόσφατη επιτυχία ήρθε με χρήση της λεγόμενης σύντηξης αδρανειακού περιορισμού, μιας από τις χρησιμοποιούμενες τεχνικές για την επίτευξη συνθηκών σύντηξης.

Αδράνεια

Η τεχνική αυτή στηρίζεται αποκλειστικά στην αδράνεια, ώστε να συγκρατηθεί το μείγμα καυσίμου για μια στιγμή μετά την έναυση της σύντηξης, που προκαλείται από την επίσης στιγμιαία συμπίεσή του. Πραγματοποιείται έτσι η έκρηξη μιας μικροσκοπικής υδρογονοβόμβας, πριν το καύσιμο διογκωθεί και η θερμοκρασία του πέσει, με συνέπεια να μην μπορεί πια να πραγματοποιηθεί σύντηξη. Σε ένα σενάριο παραγωγής Ενέργειας με αυτόν τον τρόπο, η διαδικασία θα έπρεπε να πραγματοποιείται ξανά και ξανά, αρκετές φορές το δευτερόλεπτο, κατ’ αναλογία με τον τρόπο που κινούνται τα πιστόνια μιας μηχανής εσωτερικής καύσης.

Η ομάδα της NIF χρησιμοποίησε 192 λέιζερ υψηλής Ενέργειας, που στόχευαν με μεγάλη ακρίβεια ένα ειδικά διαμορφωμένο δοχείο μεγέθους γόμας μολυβιού, που περιείχε το καύσιμο μείγμα μέσα σε μια σφαιρική κάψουλα. Η Ενέργεια των λέιζερ εξαερώνει το εξωτερικό στρώμα του δοχείου και εξαναγκάζει το εσωτερικό στρώμα να εκπέμψει ομοιόμορφα σφαιρικά ισχυρές ακτίνες Χ, που συμπιέζουν την κάψουλα και το περιεχόμενό της. Στο «φλεγόμενο πλάσμα» που δημιουργήθηκε για πρώτη φορά με τον τρόπο αυτόν, οι πυρηνικές αντιδράσεις φαίνεται να πρόσφεραν το μεγαλύτερο μέρος της απαιτούμενης για τη συντήρηση της αντίδρασης θερμότητας. Με τη διαφορά ότι οι συνθήκες αυτές διήρκεσαν μόλις …100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, πριν διαχυθεί η Ενέργεια του πλάσματος που σχηματίστηκε. Αυτό το αποτέλεσμα οφείλεται κυρίως σε βελτιώσεις στη σχεδίαση του δοχείου, που πραγματοποιήθηκαν την τελευταία δεκαετία.

Ένα εκατομμύριο το κομμάτι

Η χρήσιμη σύντηξη απαιτεί περισσότερα πράγματα από το «φλεγόμενο πλάσμα». Ακόμη κι αν το πλάσμα παράγει θερμότητα, μπορεί να ακτινοβολεί περισσότερη απ’ όση χρειάζεται για τη συντήρησή του, πράγμα που σημαίνει ότι θα «σβήσει». Στην πραγματικότητα, το πείραμα στη NIF παρήγαγε 0,17 μεγατζάουλ Ενέργεια, τροφοδοτούμενο με 1,9 μεγατζάουλ από τα λέιζερ, δηλαδή παρήγαγε το ένα δέκατο απ’ όσο κατανάλωσε. Παρ’ όλ’ αυτά, οι Αμερικανοί επιστήμονες θεώρησαν ότι αυτό το αποτέλεσμα τους φέρνει πιο κοντά στο ορόσημο επίτευξης αυτοσυντηρούμενης σύντηξης. Αλλά ακόμη κι αν κάποια στιγμή στην επόμενη δεκαετία καταφέρουν την αυτοσυντηρούμενη σύντηξη, θα πρέπει να λύσουν πολλά ακόμη σοβαρά προβλήματα, πριν μπορέσει να γίνει πρακτική χρήση της μεθόδου. Ενα απ’ αυτά είναι η κατασκευή των περίτεχνων μικροσκοπικών δοχείων καυσίμου – που προς το παρόν είναι χειροποίητα – να μπορέσει να γίνει αυτοματοποιημένα και το κόστος καθενός δοχείου να πέσει κοντά στα 10 σεντς, από το σημερινό 1 εκατομμύριο δολάρια το κομμάτι (!), καθώς θα χρειάζονται εκατοντάδες χιλιάδες απ’ αυτές τις κάψουλες σε καθημερινή βάση. Επίσης, θα χρειαστεί να αναβαθμιστούν τα λέιζερ, ώστε να μπορούν να αποδίδουν τεράστιες ποσότητες Ενέργειας πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Σε τελευταία ανάλυση, τα πρόσφατα πειράματα στο Λόρενς Λίβερμορ ίσως απέδειξαν το επιστημονικά εφικτό της σύντηξης με αυτόν τον τρόπο, με κανέναν τρόπο όμως το πρακτικά αξιοποιήσιμο.

Εδώ το «φλεγόμενο πλάσμα»;

Στο μεταξύ, ολοκληρώνεται ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER) που κατασκευάζεται στο Σεν Πολ λε Ντουράνς της Γαλλίας και αποτελεί κοινή προσπάθεια της Ευρωπαϊκής Ενωσης (και μέσω της Euratom και της Βρετανίας και της Ελβετίας), της Κίνας, της Ινδίας, της Ιαπωνίας, της Νότιας Κορέας, της Ρωσίας και των ΗΠΑ (δηλαδή συνολικά 35 κρατών). Η δοκιμή (σχηματισμού) «πρώτου πλάσματος» σχεδιάζεται να γίνει το 2025. Το 2035 προβλέπεται να γίνει η πρώτη δοκιμή σύντηξης στον ITER, παράγοντας για αρκετή ώρα περισσότερη Ενέργεια απ’ όση καταναλώνει, δηλαδή πραγματικά «φλεγόμενο πλάσμα». Επιπλέον, θα διερευνηθεί σε μετέπειτα στάδιο η δυνατότητα παρασκευής μέσα στον αντιδραστήρα ενός μέρους του καυσίμου και συγκεκριμένα του τρίτιου. Αυτός ο αντιδραστήρας – πιλότος για το μέλλον της θερμοπυρηνικής ενέργειας αντιμετώπισε πολλαπλές καθυστερήσεις (κυρίως εξαιτίας υποχωρήσεων στη χρηματοδότησή του από τις ΗΠΑ), αλλά και μεγάλες υπερβάσεις του προϋπολογισμού του. Οι χώρες – μέλη της διεθνούς κοινοπραξίας ITER συμμετέχουν με παροχές κυρίως σε είδος (εγκαταστάσεις, εξαρτήματα κ.τ.λ.), σε ποσοστό 45,6% η ΕΕ και κατά 9,1% καθένα από τα υπόλοιπα έξι μέλη. Ετσι προετοιμάζουν και τη βιομηχανία τους για τη μετά τον ITER εποχή, δηλαδή για την κατασκευή των πρώτων εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης.

Ο ITER έχει σχεδιαστεί για να παράγει για σημαντικό χρονικό διάστημα 500 μεγαβάτ Ενέργειας υπό μορφή θερμότητας, καταναλώνοντας 50 μεγαβάτ (δηλαδή, μετά την έναυση θα καταναλώνει το ένα δέκατο της Ενέργειας που παράγει). Τη θερμότητα αυτή δεν θα την αξιοποιεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς πρόκειται για πειραματικό αντιδραστήρα. Θα χρησιμοποιηθεί για να δοκιμαστούν όλες οι τεχνολογίες και οι παράμετροι κατασκευής των παραγωγικών αντιδραστήρων σύντηξης, καθώς και για την επίδειξη της ασφάλειας των πυρηνικών αντιδραστήρων αυτού του τύπου.

Παντοτινή ακτινοβολία

Ο ITER είναι ένας αντιδραστήρας τύπου τόκαμακ, του σχεδίου που αναπτύχθηκε στη Σοβιετική Ενωση στο τέλος της δεκαετίας του ’50, την ίδια εποχή που εκτοξεύτηκε από την ΕΣΣΔ ο Σπούτνικ, ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος της Γης. Το όνομα τόκαμακ προέρχεται από τα αρχικά στα ρωσικά της ονομασίας: Δακτυλιοειδής θάλαμος με μαγνητικά πεδία. Το πλάσμα παράγεται υπό την επίδραση ισχυρών μαγνητικών πεδίων, που προκαλούν ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα σε δακτυλιοειδή θάλαμο κενού, στον οποίο έχει τοποθετηθεί υδρογόνο. Αλλα μαγνητικά πεδία, που επίσης προκαλούνται από ισχυρότατους ηλεκτρομαγνήτες, εμποδίζουν το υπέρθερμο πλάσμα να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου και να τα λιώσει. Ο σχεδιασμός αυτός αποδείχτηκε ο πιο εφικτός και περισσότερα υποσχόμενος, συγκριτικά με τους αντιδραστήρες pinch, που είχαν δοκιμαστεί στη Βρετανία και τους stelarator της Γερμανίας. Γι’ αυτό και υιοθετήθηκε και από τη διεθνή κοινοπραξία, που επενδύει δεκάδες δισεκατομμύρια για την κατασκευή του. Το πλεονέκτημα (οικονομικά, γεωπολιτικά κ.ο.κ.) θα είναι μεγάλο γι’ αυτούς που θα έχουν πρώτοι στη διάθεσή τους τις λεπτομέρειες μιας εμπορικά αξιοποιήσιμης εκδοχής της τεχνολογίας αυτής.

Επιμέλεια: Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ

Πηγές: «Scientific American», www.iter.org