Έναυση σύντηξης κατάφεραν οι ΗΠΑ μετά από προσπάθειες 60 ετών – Η μάχη για τα δολάρια

Με τυμπανοκρουσίες ανακοίνωσε πριν από λίγες μέρες η κυβέρνηση των ΗΠΑ ένα επίτευγμα της Εθνικής Εγκατάστασης Εναυσης (National Ignition Facility ή NIF) του εργαστηρίου Λόρενς Λίβερμορ, στον τομέα της έρευνας της ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης. Σύμφωνα με όσα ειπώθηκαν στη συνέντευξη Τύπου της υπουργού Ενέργειας, αλλά και την ανακοίνωση της NIF, οι ερευνητές του εργαστηρίου κατάφεραν στις 5 Δεκέμβρη να πραγματοποιήσουν πυρηνική σύντηξη, που παρήγαγε 54% περισσότερη Ενέργεια απ’ όση καταναλώθηκε για την πραγματοποίησή της. Το πείραμα ήταν συνέχεια περσινού, που δεν είχε καταφέρει τη λεγόμενη «έναυση», δηλαδή την παραγωγή πλεονάσματος Ενέργειας, ώστε θεωρητικά η αντίδραση σύντηξης να μπορεί να συνεχιστεί χωρίς άλλη πρόσδοση εξωτερικής Ενέργειας. Εφόσον οι μετρήσεις επιβεβαιωθούν και από ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες, θα πρόκειται για την πρώτη φορά που επιτεύχθηκε έναυση σύντηξης.

Κατά την αντίδραση σύντηξης δευτερίου και τριτίου παράγονται ήλιο και ένα ελεύθερο νετρόνιο, ενώ απελευθερώνεται σημαντική ποσότητα Ενέργειας

Λέιζερ

Η ομάδα της NIF χρησιμοποίησε 192 λέιζερ υψηλής Ενέργειας, που στόχευσαν με μεγάλη ακρίβεια ένα ειδικά διαμορφωμένο δοχείο μεγέθους γόμας μολυβιού, που περιείχε το καύσιμο μείγμα μέσα σε μια σφαιρική κάψουλα. Η Ενέργεια των λέιζερ εξαέρωσε το εξωτερικό στρώμα του δοχείου και εξανάγκασε το εσωτερικό στρώμα να εκπέμψει ομοιόμορφα σφαιρικά ισχυρές ακτίνες Χ, που συμπίεσαν την κάψουλα και το περιεχόμενό της, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του καυσίμου σε εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Πάντως, αν και οι αντιδράσεις σύντηξης παρήγαγαν 3 μεγατζάουλ Ενέργειας, έναντι των 2,05 μεγατζάουλ που δέχτηκε το σφαιρίδιο καυσίμου από τα λέιζερ, η όλη διάταξη των λέιζερ κατανάλωσε 322 μεγατζάουλ κατά τη διαδικασία! Αν ληφθεί υπόψη αυτό το μέγεθος, τότε είναι προφανές ότι ναι μεν τυπικά έγινε έναυση, αλλά δεν έχει καμία πρακτική σημασία, αφού η Ενέργεια που καταναλώθηκε ήταν 107 φορές μεγαλύτερη από αυτήν που παράχθηκε.

Το δοχείο με τη μικροκάψουλα καυσίμου στο πείραμα αδρανειακής σύντηξης της NIF

Η τεχνική που χρησιμοποίησε η NIF είναι αυτή του αδρανειακού περιορισμού του μείγματος καυσίμου, δηλαδή η αξιοποίηση της αδράνειας, ώστε να συγκρατηθεί το μείγμα καυσίμου για μια στιγμή μετά την έναρξη της σύντηξης (που προκαλείται από την επίσης στιγμιαία συμπίεσή του), πριν τελικά 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. Θα πρέπει, επίσης, να λυθούν 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.

Μικροσκοπική υδρογονοβόμβα

Στην ουσία, αυτό που πέτυχε η NIF του Λόρενς Λίβερμορ είναι η έκρηξη μιας μικροσκοπικής θερμοπυρηνικής βόμβας καταναλώνοντας λιγότερη Ενέργεια απ’ όση παράχθηκε από την έκρηξη. Οι στρατιωτικές θερμοπυρηνικές βόμβες (βόμβες υδρογόνου) πετυχαίνουν τη σύντηξη μεταξύ δευτερίου και τριτίου στον πυρήνα τους, μέσω της τεράστιας συμπίεσης που προκαλεί η έκρηξη της συμβατικής ατομικής βόμβας σχάσης, που περιβάλλει κατάλληλα τον πυρήνα σαν κέλυφος. Η διαφορά είναι ότι στην περίπτωση του πειράματος στο Λίβερμορ, η συμπίεση έγινε με χρήση ακτίνων λέιζερ.

Έλεγχος των οπτικών διαδρομών στο τμήμα προενίσχυσης

Με άλλα λόγια, η διάταξη στην οποία πραγματοποιήθηκε το επίτευγμα, σαφώς δεν αποτελεί αντιδραστήρα συνεχούς έργου, αλλά ούτε και αντιδραστήρα διαλείποντος έργου (batch) κατάλληλο για παραγωγή Ενέργειας, λόγω της μικροσκοπικής ποσότητας καυσίμου που μπορεί να δεχτεί. Από την άλλη μεριά, η διάταξη της NIF μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της κατάστασης του πυρηνικού οπλοστασίου των ΗΠΑ, σκοπό για τον οποίο άλλωστε δημιουργήθηκε η NIF. «Είναι ένα μεγάλο ορόσημο, αλλά η NIF δεν είναι συσκευή παραγωγής Ενέργειας από σύντηξη», λέει ο Ντέιβ Χάμερ, πυρηνικός μηχανικός του Πανεπιστημίου Κορνέλ, και συμπληρώνει: «Δεν σχεδιάστηκε για να είναι αποδοτική, σχεδιάστηκε για να είναι το μεγαλύτερο λέιζερ που μπορούσαμε να φτιάξουμε, ώστε να μας δίνει τα δεδομένα που χρειαζόμαστε για το ερευνητικό πρόγραμμα του πυρηνικού οπλοστασίου». Η εγκατάσταση της NIF φτιάχτηκε για να βοηθήσει τους επιστήμονες να μελετήσουν τις συνθήκες πολύ υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων που αναπτύσσονται στις θερμοπυρηνικές εκρήξεις και αυτό είναι εφικτό μόνο εφόσον μπορούν να πραγματοποιηθούν αντιδράσεις σύντηξης υψηλής απόδοσης.

Η μάχη για τα δολάρια

Το αμερικανικό επίτευγμα, όπως παρουσιάστηκε και από την υπουργό Ενέργειας των ΗΠΑ, οδήγησε στη δημοσίευση κεντρικών θεμάτων σε πολλά ειδησεογραφικά μέσα και ιστοσελίδες, που άφηναν λιγότερο ή περισσότερο να εννοηθεί κάποια προοπτική αξιοποίησής του για παραγωγή καθαρής και άπλετης Ενέργειας. Κανένας επιστήμονας, ούτε οι άμεσα εμπλεκόμενοι, δεν υποστήριξε αυτήν την άποψη. Γιατί παρουσιάστηκε λοιπόν έτσι, πέρα από το ζήτημα γοήτρου; Ο λόγος είναι ότι λιμνάζοντα κεφάλαια αναζητούν νέα διέξοδο για να μπουν κερδοφόρα στην παραγωγή, χρησιμοποιώντας ως όχημα την «πράσινη» ανάπτυξη και την ανάγκη αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Οι ανακοινώσεις από το Λόρενς Λίβερμορ και την αμερικανική κυβέρνηση συνέπεσαν με ισχυρές πιέσεις από το σχετικό λόμπι προς το Κογκρέσο των ΗΠΑ προκειμένου να δοθούν – τι άλλο – κρατικές χρηματοδοτήσεις για να γίνουν επενδύσεις από ιδιωτικές εταιρείες για έρευνα και ανάπτυξη μικρής κλίμακας αντιδραστήρων σύντηξης. Το λόμπι προσέγγισε και τους Δημοκρατικούς, αλλά και τους Ρεπουμπλικάνους, επιδιώκοντας μια τεραστίων διαστάσεων κρατική επιχορήγηση του τομέα. Προβάλλουν μάλιστα υπό ανταγωνιστικό πρίσμα σχετικές προσπάθειες για Ενέργεια από σύντηξη, που γίνονται από άλλες χώρες ή ομάδες κρατών, τονίζοντας ότι οι ΗΠΑ πρέπει να κερδίσουν προβάδισμα.

Τμήμα της πειραματικής διάταξης στο εργαστήριο Λόρενς Λίβερμορ, που οδήγησε 192 ισχυρές ακτίνες λέιζερ προς το σφαιρίδιο δευτερίου – τριτίου

Εννοείται ότι σε αυτές τις πιέσεις αντέδρασαν άμεσα εκπρόσωποι του κεφαλαίου που ήδη έχει «πιάσει τα πόστα» στο ζήτημα της «πράσινης» ανάπτυξης, οι οποίοι κάλεσαν την κυβέρνηση οι όποιες χρηματοδοτήσεις στον τομέα της πυρηνικής σύντηξης να μην επηρεάσουν τομείς όπως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, το «πράσινο» υδρογόνο κ.τ.λ.

Η διεθνής προσπάθεια

Στο μεταξύ, ολοκληρώνεται ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER), που κατασκευάζεται στο Κανταράς 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, αλλά και των ΗΠΑ! 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. Θα διερευνηθεί, επίσης, η δυνατότητα παρασκευής μέσα στον αντιδραστήρα ενός μέρους του καυσίμου και συγκεκριμένα του τριτίου. Στόχος του ITER δεν είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά η επίδειξη της δυνατότητας παραγωγής 10πλάσιας Ενέργειας από αυτή που καταναλώνεται για τη λειτουργία του αντιδραστήρα και η δοκιμή όλων των συστημάτων που χρειάζονται για τη λειτουργία του, καθώς και των ζητημάτων ασφάλειας.

Ο ITER έχει σχεδιαστεί για να παράγει για σημαντικό χρονικό διάστημα 500 μεγαβάτ Ενέργειας υπό μορφή θερμότητας, καταναλώνοντας 300 μεγαβάτ, από τα οποία 50 μεγαβάτ θα καταναλώνονται για τη θέρμανση του καυσίμου (άρα δεκαπλάσια απόδοση, αλλά και θετικό ισοζύγιο Ενέργειας στο σύνολο). Τη θερμότητα αυτή δεν θα την αξιοποιεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς πρόκειται για πειραματικό αντιδραστήρα. Με βάση τα συμπεράσματα από τον ITER, όλες οι χώρες που συμμετέχουν θα επιδιώξουν να κατασκευάσουν ξεχωριστά η καθεμιά αντιδραστήρες DEMO, που θα πλησιάζουν από πλευράς απόδοσης και ισχύος τους αντιδραστήρες παραγωγής, οι οποίοι θα ακολουθήσουν σε τρίτη φάση. Πολλές χώρες που έχουν τη δυνατότητα πραγματοποιούν και αυτόνομες ερευνητικές προσπάθειες στον τομέα της σύντηξης, η πλειοψηφία των οποίων βασίζεται στη σχεδίαση των σοβιετικών αντιδραστήρων σύντηξης τόκαμακ (μαγνητικού περιορισμού του υπέρθερμου καυσίμου, ώστε να μη λιώσει το περίβλημα), όπως άλλωστε και η σχεδίαση του ITER.

Επιμέλεια:
Σταύρος Ξενικουδάκης
Ριζοσπάστης
Πηγή: «Scientific American»