Πυρηνική σύντηξη: Ανακάλυψη επιστημόνων φέρνει την «ενέργεια του μέλλοντος»

Επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι έχουν κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στην προσπάθειά τους να αναπτύξουν την πρακτική για την πυρηνική σύντηξη, την ενεργειακή διαδικασία που τροφοδοτεί τα αστέρια.

Το εργαστήριο JET με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο κατέρριψε το δικό του παγκόσμιο ρεκόρ για την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να εξαγάγει συμπιέζοντας δύο μορφές υδρογόνου. Τα πειράματα παρήγαγαν 59 μεγατζάουλ ενέργειας σε πέντε δευτερόλεπτα (11 μεγαβάτ ισχύος).

Αυτό είναι υπερδιπλάσιο από αυτό που είχε επιτευχθεί σε παρόμοιες δοκιμές το 1997. Δεν πρόκειται για τεράστια παραγωγή ενέργειας - είναι αρκετή μόνο για να βράσει νερό περίπου 60 βραστήρων. Αλλά η σημασία της ανακάλυψης είναι ότι επικυρώνει τις σχεδιαστικές επιλογές που έχουν γίνει για έναν ακόμη μεγαλύτερο αντιδραστήρα σύντηξης που κατασκευάζεται τώρα στη Γαλλία.

«Ένα μίνι αστέρι μέσα στη μηχανή»

«Τα πειράματα JET μας φέρνουν ένα βήμα πιο κοντά στην ενέργεια σύντηξης», δήλωσε ο δρ Joe Milnes, επικεφαλής των επιχειρήσεων στο εργαστήριο του αντιδραστήρα. «Αποδείξαμε ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα μίνι αστέρι μέσα στη μηχανή μας και να το κρατήσουμε εκεί για πέντε δευτερόλεπτα και να έχουμε υψηλή απόδοση, γεγονός που μας οδηγεί πραγματικά σε μια νέα σφαίρα», σε ένα νέο στάδιο για την παραγωγή καθαρής και φθηνής ενέργειας.

Η εγκατάσταση ITER (διεθνές έργο έρευνας και μηχανικής πυρηνικής σύντηξης που στοχεύει στην αναπαραγωγή των διαδικασιών σύντηξης του Ήλιου για τη δημιουργία ενέργειας στη Γη) στη νότια Γαλλία υποστηρίζεται από μια κοινοπραξία κυβερνήσεων διεθνώς, μεταξύ των οποίων κράτη μέλη της ΕΕ, ΗΠΑ, Κίνα και Ρωσία Αναμένεται να αποτελέσει το τελευταίο βήμα για την απόδειξη ότι η πυρηνική σύντηξη μπορεί να γίνει ένας αξιόπιστος πάροχος ενέργειας στο δεύτερο μισό του αιώνα.

Η λειτουργία των σταθμών παραγωγής ενέργειας του μέλλοντος με βάση τη σύντηξη δεν θα παράγει αέρια του θερμοκηπίου παρά μόνο πολύ μικρές ποσότητες βραχύβιων ραδιενεργών αποβλήτων.

«Αυτά τα πειράματα που μόλις ολοκληρώσαμε έπρεπε να λειτουργήσουν», δήλωσε ο διευθύνων σύμβουλος του JET καθηγητής Ian Chapman. «Αν δεν είχαν, τότε θα είχαμε πραγματικές ανησυχίες για το αν ο ITER θα μπορούσε να επιτύχει τους στόχους του. Αυτό ήταν υψηλό διακύβευμα και το γεγονός ότι πετύχαμε ό,τι πετύχαμε οφείλεται στην ευφυΐα των ανθρώπων και στην εμπιστοσύνη τους στην επιστημονική προσπάθεια», δήλωσε στο BBC News.

Πώς λειτουργεί η πυρηνική σύντηξη

• Τα άτομα υδρογόνου θερμαίνονται 
• Αντίδραση σύντηξης 
• Έκλυση νετρονίων ηλίου και ενέργειας 
• Η ενέργεια των νετρονίων θερμαίνει το νερό

Η σύντηξη λειτουργεί με βάση την αρχή ότι η ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί με τη συνένωση των ατομικών πυρήνων και όχι με τη διάσπασή τους, όπως στην περίπτωση των αντιδράσεων σχάσης που κινούν τους υπάρχοντες πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Στον πυρήνα του Ήλιου, οι τεράστιες βαρυτικές πιέσεις επιτρέπουν αυτό να συμβεί σε θερμοκρασίες περίπου 10 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Στις πολύ χαμηλότερες πιέσεις που είναι δυνατές στη Γη, οι θερμοκρασίες για την παραγωγή σύντηξης πρέπει να είναι πολύ υψηλότερες - πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Δεν υπάρχουν υλικά που να μπορούν να αντέξουν την άμεση επαφή με τέτοια θερμότητα. Έτσι, για να επιτύχουν τη σύντηξη στο εργαστήριο, οι επιστήμονες επινόησαν μια λύση στην οποία ένα υπερθερμασμένο αέριο, ή πλάσμα, συγκρατείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ντόνατ.

Το Joint European Torus (JET), που βρίσκεται στο Culham στο Oxfordshire, είναι πρωτοπόρο σε αυτή την προσέγγιση σύντηξης εδώ και σχεδόν 40 χρόνια. Και τα τελευταία 10 χρόνια, έχει διαμορφωθεί έτσι ώστε να αναπαράγει την αναμενόμενη διάταξη του ITER.
Το προτιμώμενο «καύσιμο» του γαλλικού εργαστηρίου για την παραγωγή του πλάσματος θα είναι ένα μείγμα δύο μορφών, ή ισοτόπων, υδρογόνου που ονομάζονται δευτέριο και τρίτιο.

Ζητήθηκε από το JET να επιδείξει μια επένδυση για το δοχείο των 80 κυβικών μέτρων που περικλείει το μαγνητικό πεδίο, η οποία θα λειτουργούσε αποτελεσματικά με αυτά τα ισότοπα.

Για τα πειράματα ρεκόρ του το 1997, το JET είχε χρησιμοποιήσει άνθρακα, αλλά ο άνθρακας απορροφά το τρίτιο, το οποίο είναι ραδιενεργό. Έτσι, για τις τελευταίες δοκιμές, κατασκευάστηκαν νέα τοιχώματα για το δοχείο από τα μέταλλα βηρύλλιο και τιτάνιο. Αυτά είναι 10 φορές λιγότερο απορροφητικά.

Η επιστημονική ομάδα του JET έπρεπε στη συνέχεια να συντονίσει το πλάσμα της ώστε να λειτουργεί αποτελεσματικά σε αυτό το νέο περιβάλλον.

«Πρόκειται για ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα, διότι κατάφεραν να επιδείξουν τη μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας που παράγεται από τις αντιδράσεις σύντηξης από οποιαδήποτε συσκευή στην ιστορία», σχολίασε ο Dr Arthur Turrell, ο συγγραφέας του βιβλίου The Star Builders: Η πυρηνική σύντηξη και ο αγώνας για την ηλεκτροδότηση του πλανήτη.

«Αποτελεί ορόσημο επειδή απέδειξαν τη σταθερότητα του πλάσματος επί πέντε δευτερόλεπτα. Αυτό δεν ακούγεται πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά σε μια πυρηνική χρονική κλίμακα, είναι πράγματι πολύ, πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Και είναι πολύ εύκολο στη συνέχεια να πάμε από τα πέντε δευτερόλεπτα στα πέντε λεπτά, ή στις πέντε ώρες, ή ακόμη και σε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα».

Το JET δεν μπορεί στην πραγματικότητα να λειτουργήσει περισσότερο επειδή οι χάλκινοι ηλεκτρομαγνήτες του θερμαίνονται πολύ. Για τον ITER θα χρησιμοποιηθούν εσωτερικά ψυχόμενοι υπεραγώγιμοι μαγνήτες.

Οι αντιδράσεις σύντηξης στο εργαστήριο, ως γνωστόν, καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια για να ξεκινήσουν από όση μπορούν να αποδώσουν. Στο Jet, δύο σφόνδυλοι 500 μεγαβάτ χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία των πειραμάτων.

Υπάρχουν όμως βάσιμες ενδείξεις ότι αυτό το έλλειμμα μπορεί να ξεπεραστεί στο μέλλον, καθώς τα πλάσματα κλιμακώνονται. Ο όγκος του δοχείου του ITER θα είναι 10 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του JET. Ελπίζεται ότι το γαλλικό εργαστήριο θα φτάσει στο νεκρό σημείο. Οι εμπορικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας που θα ακολουθήσουν θα πρέπει στη συνέχεια να παρουσιάσουν καθαρό κέρδος που θα μπορεί να διοχετευθεί στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας.

Αυτό είναι ένα μακρύ παιχνίδι και είναι σημαντικό ότι από τους 300 περίπου επιστήμονες που εργάζονται στο JET, το ένα τέταρτο βρίσκεται στην αρχή της καριέρας του. Αυτοί θα πρέπει να μεταφέρουν τη σκυτάλη της έρευνας προς τα εμπρός.

«Η σύντηξη απαιτεί πολύ χρόνο, είναι πολύπλοκη, είναι δύσκολη», δήλωσε η δρ Αθηνά Καππάτου, η οποία είναι γύρω στα τριάντα. «Γι' αυτό πρέπει να διασφαλίσουμε ότι από τη μία γενιά στην επόμενη θα υπάρχουν οι επιστήμονες, οι μηχανικοί και το τεχνικό προσωπικό που θα μπορούν να προχωρήσουν τα πράγματα».

Ωστόσο, παραμένουν πολλές τεχνικές προκλήσεις. Στην Ευρώπη, τις προκλήσεις αυτές επεξεργάζεται η κοινοπραξία Eurofusion, η οποία περιλαμβάνει περίπου 5.000 ειδικούς επιστήμονες και μηχανικούς από όλη την ΕΕ, την Ελβετία και την Ουκρανία.

Συμμετέχει και το Ηνωμένο Βασίλειο. Η πλήρης συμμετοχή του στον ITER, ωστόσο, θα απαιτήσει πρώτα να "συνδεθεί" η Βρετανία με ορισμένα επιστημονικά προγράμματα της ΕΕ, κάτι που μέχρι στιγμής καθυστερεί λόγω διαφωνιών σχετικά με τις εμπορικές ρυθμίσεις μετά το Brexit, ιδίως σε σχέση με τη Βόρεια Ιρλανδία.

Το JET είναι πιθανό να παροπλιστεί μετά το 2023, ενώ ο ITER θα αρχίσει τα πειράματα πλάσματος το 2025 ή αμέσως μετά.