Κούρσα για την εμπορικά αξιοποιήσιμη πυρηνική σύντηξη
Ενώ βρίσκονται σε εξέλιξη πολλά πειράματα σε όλο τον κόσμο για να βρεθεί αποδοτικός και σταθερός τρόπος παραγωγής Ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης, μια συνεστραμμένη λωρίδα πλάσματος υδρογόνου, πολλές φορές πιο θερμού από την επιφάνεια του Ηλιου, επέτρεψε πρόσφατα στους επιστήμονες να ρίξουν μια ματιά σε αυτό το μέλλον, που υπόσχεται σχετικά «καθαρή» και άπλετη Ενέργεια, καθώς θα χρησιμοποιεί καύσιμο προερχόμενο από το θαλασσινό νερό.
Ηταν η λωρίδα πλάσματος μέσα στον αντιδραστήρα σύντηξης Wendelstein 7-X, τύπου stellarator, που τον περασμένο Μάη κατάφερε να διατηρήσει μαγνητικά «μποτιλιαρισμένο» το υδρογόνο σε αυτήν την 4η κατάσταση της ύλης επί 43 δευτερόλεπτα.
Με την ανακοίνωση αυτού του αποτελέσματος, Βρετανοί ερευνητές του Κοινού Ευρωπαϊκού Δακτυλίου (JET), ενός αντιδραστήρα σύντηξης κοντά στην Οξφόρδη της Αγγλίας, ανακοίνωσαν ότι στα τελευταία πειράματα που έκαναν με τον αντιδραστήρα πριν σταματήσει τη λειτουργία του τον Δεκέμβρη του 2023 είχαν πετύχει διατήρηση του υπέρθερμου πλάσματος επί 60 δευτερόλεπτα.
Τα αποτελέσματα αυτά με τον JET, έναν αντιδραστήρα τύπου τόκαμακ, πρόκειται να δημοσιευτούν σύντομα σε επιστημονικό περιοδικό.
Σε έναν ιδιότυπο ανταγωνισμό μεταξύ των δύο ομάδων – και γενικότερα μεταξύ των ομάδων που ακολουθούν τα δύο διαφορετικά σχέδια αντιδραστήρων – το Ινστιτούτο «Μαξ Πλανκ» της Γερμανίας άφησε να εννοηθεί ότι η σύγκριση των αποτελεσμάτων αδικεί τον Wendelstein 7-X, επειδή ο JET διαχειρίζεται μεγαλύτερο όγκο πλάσματος, πράγμα που του δίνει πλεονέκτημα.
Λουκουμάς και λωρίδα
Και οι δύο τεχνικές χρησιμοποιούν τα ισότοπα δευτέριο και τρίτο του υδρογόνου για να πραγματοποιήσουν την ελεγχόμενη αντίδραση σύντηξης. Το υπέρθερμο πλάσμα δεν πρέπει να ακουμπήσει στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, και αυτό επιτυγχάνεται με μαγνητικό περιορισμό του, αφού το πλάσμα είναι στην ουσία ένα «αέριο» ιόντων, δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων, που επηρεάζονται από τα μαγνητικά πεδία.
Η πιο εμφανής στον μη ειδικό διαφορά τους είναι ότι οι σοβιετικής έμπνευσης αντιδραστήρες τόκαμακ δημιουργούν έναν δακτύλιο πλάσματος μορφής λουκουμά, ενώ οι πιο πολύπλοκης σχεδίασης stellarator δημιουργούν μια περιεστραμμένη κλειστή λωρίδα πλάσματος. Γενικά οι τόκαμακ θεωρούνται τεχνολογία με περισσότερες προοπτικές τελικής επιτυχίας.
Το 2022, η Εθνική Εγκατάσταση Εναυσης (NIF) κοντά στο Σαν Φρανσίσκο των ΗΠΑ είχε ανακοινώσει την έναυση σύντηξης σε πέλετ, που περιείχε τα δύο ισότοπα υδρογόνου, και η οποία πραγματοποιήθηκε κάτω από την επίδραση των ισχυρότερων λέιζερ στον κόσμο. Τα 192 λέιζερ προκάλεσαν στιγμιαία τεράστια αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης των ισοτόπων, με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί σύντηξη.
Ομως η τεχνική αυτή είναι ακατάλληλη για χρήση σε μελλοντικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς δεν έχει βρεθεί τρόπος να αντικαθίστανται τα χρησιμοποιημένα σφαιρίδια με ρυθμό επαρκή για συνεχή παραγωγή Ενέργειας, ενώ η επαναφόρτιση των λέιζερ απαιτεί 12 ώρες και καταναλώνει 100 φορές περισσότερη Ενέργεια από αυτή που απελευθερώνει το πέλετ σύντηξης.
Κούρσα για την εμπορικά αξιοποιήσιμη πυρηνική σύντηξη – Ιδιωτικές παραλλαγές
Οι ερευνητές του Wendelstein θεωρούν ότι δεν υπάρχει κάποιο εμπόδιο για να επιμηκύνουν τον χρόνο διατήρησης του πλάσματος πάνω από ένα λεπτό, με στόχο τη μισή ώρα. Από την άλλη μεριά, τα μέχρι πρόσφατα κρυφά αποτελέσματα του αντιδραστήρα JET ενισχύουν την προσέγγιση τόκαμακ. Ωστόσο, όλοι συμφωνούν ότι ακόμα είναι πρόωρο να βγει νικητής ανάμεσα στους δύο σχεδιασμούς.
Στο μεταξύ, πέρα από τις μεμονωμένες ή κοινές ερευνητικές προσπάθειες με κρατική υποστήριξη, προχωρούν και ερευνητικά προγράμματα σύντηξης από διάφορα μονοπώλια.
Στο Βανκούβερ του Καναδά η «General Fusion» δοκιμάζει ένα δικό της ανορθόδοξο σχέδιο αντιδραστήρα, με μια υβριδική τεχνολογία που ονομάζει σύντηξη μαγνητισμένου στόχου (MTF) και υποστηρίζει ότι θα μπορέσει να τροφοδοτήσει με Ενέργεια από αυτήν το ηλεκτρικό δίκτυο στα μέσα της επόμενης δεκαετίας.
Στη Βιρτζίνια των ΗΠΑ, μια νεοφυής επιχείρηση που αξιοποιεί έρευνα η οποία έγινε στο MIT σκοπεύει να κατασκευάσει έναν συμπαγή τόκαμακ αντιδραστήρα, με στόχο την παραγωγή 400 μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας στο πρώτο μισό της επόμενης δεκαετίας.
Οι όμιλοι σε όλο τον κόσμο ήδη επενδύουν περισσότερα κεφάλαια από τα κράτη στην έρευνα για την πυρηνική σύντηξη, με τις ιδιωτικές επενδύσεις να ξεπερνούν τα 7 δισ. δολάρια το 2024, με αυξητική τάση από τα προηγούμενα χρόνια. Το χρονικό πλαίσιο που θέτουν οι διάφορες εταιρείες του τομέα είναι μάλλον υπερβολικά αισιόδοξο, με στόχο τη συγκέντρωση περισσότερων κεφαλαίων.
Πρόοδοι
Ειδικοί θεωρούν ότι η όλο και αυξανόμενη χρήση υπεραγώγιμων ηλεκτρομαγνητών στους αντιδραστήρες σύντηξης μαγνητικού περιορισμού θα αποδειχθεί τεχνολογία – κλειδί. Αυτοί οι μαγνήτες, που ψύχονται με υγρό ήλιο σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν, δεν εμφανίζουν ηλεκτρική αντίσταση. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούν είναι πολλές φορές πιο ισχυρά από αυτά που δημιουργούν οι συμβατικοί ηλεκτρομαγνήτες, και γι’ αυτό επιτρέπουν στους ερευνητές καλύτερο έλεγχο του υπέρθερμου πλάσματος υδρογόνου.
Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν τον περασμένο Μάη ότι βρήκαν τρόπο να δεκαπλασιάσουν την ταχύτητα σχεδιασμού αντιδραστήρων stellarator, ώστε αυτοί να πετυχαίνουν καλύτερο μαγνητικό περιορισμό των σωματιδίων άλφα (πυρήνες ηλίου) υψηλής Ενέργειας. Η τεχνική τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στους τόκαμακ για τον καλύτερο μαγνητικό περιορισμό των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας.
Ερευνες γίνονται σε Τσεχία και Αυστραλία για τη σύντηξη υδρογόνου και βορίου, χρησιμοποιώντας συστήματα λέιζερ, μέθοδος που θεωρητικά υπόσχεται σύντηξη χωρίς παραγωγή νετρονίων και με ελάχιστα ραδιενεργά κατάλοιπα. Λόγω της παραγωγής νετρονίων που χτυπούν τα τοιχώματα, οι άλλες μέθοδοι αφήνουν στο τέλος της ζωής του αντιδραστήρα ένα ελαφρώς ραδιενεργό κέλυφος.
Σχεδιασμοί
Ο μεγαλύτερος υπό κατασκευή αντιδραστήρας σύντηξης στον κόσμο είναι ο ITER, για τον οποίο συνεργάζονται 33 κράτη. Μετά από πολλές καθυστερήσεις, η οικοδόμησή του στη Γαλλία έχει επιταχυνθεί (ολοκληρώθηκε το κεντρικό σωληνοειδές) και ο νέος στόχος είναι η έναρξη της λειτουργίας του το 2033, ενώ της πλήρους σύντηξης το 2039.
Ο ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), όπως λέει και το όνομά του, είναι πειραματικός αντιδραστήρας για τη διερεύνηση της τεχνολογίας τόκαμακ σε μεγάλη κλίμακα και την προετοιμασία μιας νέας γενιάς αντιδραστήρων, είτε εμπορικής χρήσης είτε ένα βήμα πριν από αυτή. Στόχος είναι να καταφέρει να παράγει 10 φορές περισσότερη Ενέργεια από αυτή που θα χρησιμοποιεί για την έναυση. Για τον σχεδιασμό του χρησιμοποιήθηκαν και τα δεδομένα από τη λειτουργία του JET.
Προς το παρόν, ο μεγαλύτερος σε λειτουργία τόκαμακ βρίσκεται στην Ιαπωνία και είναι ο JT-60SA, που χρησιμοποιείται για την υποστήριξη της ανάπτυξης του ITER και τη βελτιστοποίηση των βοηθητικών υποδομών του, στη βάση μιας συμφωνίας συνεργασίας της ΕΕ με την Ιαπωνία.
Ο EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) είναι ένας εξελιγμένος κινεζικός αντιδραστήρας σύντηξης, που νωρίτερα φέτος πέτυχε ρεκόρ διατήρησης μαγνητικά περιορισμένου πλάσματος, για 1.066 δευτερόλεπτα (περίπου 17,8 λεπτά). Το ρεκόρ του το ξεπέρασε λίγο καιρό αργότερα ο WEST Tokamak της Γαλλίας, φτάνοντας τα 1.337 δευτερόλεπτα (πάνω από 22 λεπτά).
Η κούρσα της σύντηξης φουντώνει. Ομως, κανείς να μην περιμένει ότι η άπλετη Ενέργεια από τη σύντηξη – αν επιτευχθεί – θα σημαίνει φτηνότερο ηλεκτρικό ρεύμα για τον λαό, ακριβώς όπως αυτό δεν συνέβη με την άπλετη ηλιακή ενέργεια των ΑΠΕ, που την χρυσοπληρώνει ο κόσμος ακόμα κι όταν περισσεύει τόση πολλή που αναγκάζονται να αποκόψουν από το δίκτυο πολλά φωτοβολταϊκά πάρκα, για να μη γίνει μπλακάουτ.
Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης
Πληροφορίες από «Scientific American»
Πηγή: Ριζοσπάστης