Η πυρηνική σύντηξη προβληματίζει τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες – Με ποιον τρόπο θα ξεκλειδώσουμε την απεριόριστη ενέργειά της

Η σύντηξη είναι η μηχανή του σύμπαντος. Από το μικρότερο μικρόβιο μέχρι την πιο περίπλοκη ζωή που συναντάται σε εξωγήινους κόσμους, τα πάντα υπάρχουν χάρη στην κατακλυσμιαία φυσική που συντελείται στην καρδιά κάθε άστρου.  Κάθε μικρή κουκκίδα φωτός στον νυχτερινό ουρανό είναι ένα μείγμα τεράστιας βαρύτητας και θερμότητας που δημιουργεί μια αυτοσυντηρούμενη θερμοπυρηνική έκρηξη, η οποία καθιστά τη ζωή δυνατή.

Για σχεδόν έναν αιώνα, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι αυτός ο εκρηκτικός χορός ιονισμένου πλάσματος στην καρδιά του ήλιου μας είναι που λούζει τον πλανήτη μας με

φως και θερμότητα.  Από την ανακάλυψη αυτή, πανεπιστήμια, εργαστήρια, κυβερνητικές υπηρεσίες και διεθνείς συνασπισμοί έχουν επενδύσει δισεκατομμύρια για να βρουν έναν τρόπο να “εγκλωβίσουν” τον ήλιο και να παράγουν καθαρή, απεριόριστη ενέργεια.

Ο ιδιωτικός “αγώνας δρόμου” για την εμπορική σύντηξη: Λέιζερ εναντίον Μαγνητών

Δεκάδες ιδιωτικές εταιρείες που χρηματοδοτούνται από μερικούς από τους πλουσιότερους ανθρώπους στον κόσμο προχωρούν με ποικίλους τρόπους για τη δημιουργία εμπορικής σύντηξης.  Μία από τις νεότερες εταιρείες στον αγώνα για την απεριόριστη ενέργεια θέλει να αξιοποιήσει την τεχνολογία εκτόξευσης λέιζερ που κρύβεται πίσω από το μεγαλύτερο επίτευγμα σύντηξης της Αμερικής μέχρι σήμερα, ενώ άλλες εταιρείες ακολουθούν μια διαφορετική διαδρομή που περιλαμβάνει μαγνήτες, υπεραγωγούς και υπέρθερμο πλάσμα.

Ανεξάρτητα από το ποια προσέγγιση θα επικρατήσει, αν ελπίζουμε να κάνουμε την εμπορική σύντηξη πραγματικότητα μέσα στις επόμενες δεκαετίες, θα απαιτηθεί ένα επίπεδο επιστημονικής αφοσίωσης (και χρηματοδότησης) που θα έκανε το πρόγραμμα Απόλλων να μοιάζει με σχολική εργασία.

Αυτή είναι η ιστορία της πυρηνικής σύντηξης — πώς λειτουργεί, πού κατευθύνεται και τι είδους ανθρώπινη κοινωνία θα αφήσει πίσω της.  Παρά τις μεγαλόπνοες υποσχέσεις της πυρηνικής σύντηξης, η επιστήμη που βρίσκεται στην καρδιά της συντελείται σε μια εξαιρετικά μικρή ατομική κλίμακα.

Στο πιο βασικό της επίπεδο, η πυρηνική σύντηξη συμβαίνει όταν δύο ελαφρείς πυρήνες (π.χ. υδρογόνου) συνενώνονται ή «συντήκονται» για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο ισότοπο που ονομάζεται ήλιο-4. Εν τω μεταξύ, η σχάση, η οποία είναι η επιστήμη που τροφοδοτεί όλους τους πυρηνικούς αντιδραστήρες σήμερα, είναι κατά κάποιο τρόπο το αντίθετο:

Ένα σωματίδιο νετρονίου προσκρούει σε ένα μεγαλύτερο άτομο, όπως το Ουράνιο-235, και το διασπά σε δύο μικρότερα, όπως το βάριο και το κρυπτό. “Η χημεία είναι ουσιαστικά η ιστορία των ατόμων που προσπαθούν να γίνουν πιο σταθερά, και πρόκειται να αναζητήσουν εταίρους για να αντιδράσουν ώστε να το πετύχουν”, λέει ο Vincent Tang, Ph.D., κύριος αναπληρωτής διευθυντής στην Εγκατάσταση Εθνικής Πυροδότησης (NIF) και στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore.

“Όταν βρίσκουν έναν εταίρο που τα κάνει πιο σταθερά, απελευθερώνουν ενέργεια ως θερμότητα ή φως — η ίδια αναλογία ισχύει και για τις πυρηνικές αντιδράσεις. Είτε συνενωθούν και συντηχθούν, είτε σχαστούν, θέλουν να γίνουν πιο σταθερά — θέλουν να γίνουν Σίδηρος-56.”

Μαγνήτες εναντίον Φύσης: Η πρόκληση της υπέρβασης των Ηλεκτροστατικών Δυνάμεων

Πιο εύκολο στα λόγια παρά στην πράξη, γιατί αυτά τα δύο πρωτόνια υδρογόνου αρνούνται πεισματικά να συντηχθούν.  Υπό κανονικές συνθήκες, δύο θετικά φορτισμένα πρωτόνια απλώς θα απωθούνταν λόγω της ηλεκτροστατικής άπωσης — ουσιαστικά η ατομική εκδοχή της προσπάθειας να αναγκάσεις δύο αρνητικούς πόλους ενός μαγνήτη να ενωθούν.

Είναι εφικτό, αλλά δεν είναι εύκολο.  Για να εξαναγκαστούν δύο πυρήνες να ενωθούν (ένα μεμονωμένο πρωτόνιο είναι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου), πρέπει να υπερνικήσουν αυτή την άπωση, έτσι ώστε η ισχυρή πυρηνική δύναμη —μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος που συγκρατεί τον πυρήνα ενός ατόμου— να αναλάβει δράση και να συντήξει τα δύο άτομα υδρογόνου.

Για να επιτευχθεί αυτό, τα πράγματα πρέπει να υπερθερμανθούν -σε επίπεδο πλάσματος- επειδή η θερμότητα διεγείρει τα άτομα, τα διασπά και τα επιταχύνει τόσο ώστε να υπερνικήσουν αυτή την αμοιβαία ηλεκτροστατική αντίσταση.

Ακόμη και η θερμότητα στο κέντρο του ήλιου δεν είναι αρκετά υψηλή ώστε να συντήξει κανονικά αυτά τα στοιχεία, αλλά μια έννοια γνωστή ως κβαντική σήραγγα επιτρέπει σε ένα κλάσμα πρωτονίων υδρογόνου να συντηχθούν.

Εδώ είναι που αυτές οι αόρατες ατομικές και κβαντικές διεργασίες μπορούν να δημιουργήσουν κάτι τόσο απίστευτο όσο ο ήλιος μας.

Όταν δύο άτομα υδρογόνου συντήκονται στον πυρήνα του ήλιου, το άτομο ηλίου που προκύπτει ζυγίζει λιγότερο από τα δύο αρχικά άτομα υδρογόνου.

Όπως έχει εξηγήσει ο  Άλμπερτ Αϊνστάιν και η περίφημη εξίσωσή του E = mc², η μάζα δεν εξαφανίζεται απλώς, αλλά μετατρέπεται σε ενέργεια.  Για να επιτύχουν μια πιο αποδοτική αντίδραση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αντ’ αυτού δύο ισότοπα υδρογόνου, το δευτέριο και το τριτίτιο, για να συντηχθούν σε ήλιο (παράγοντας παράλληλα ένα επιπλέον νετρόνιο).

Η καμπύλη ενέργειας πυρηνικής σύνδεσης κορυφώνεται στον σίδηρο και το νικέλιο, προτού αρχίσει πάλι να κλίνει αργά προς τα κάτω. Ωστόσο, υπάρχει μια στενή, μεμονωμένη κορυφή στο ήλιο, λόγω της εντυπωσιακής του σταθερότητας σε χαμηλή μάζα. Πηγή: Public Domain

Η δημιουργία αυτής της αρχικής αντίδρασης σύντηξης —και, το κυριότερο, η διατήρησή της— αποτελεί το αντικείμενο εργασίας των πυρηνικών φυσικών σε όλο τον κόσμο για σχεδόν έναν αιώνα.  Αν και οι αντιδραστήρες σύντηξης μπορεί να έχουν πολλά σχήματα και μεγέθη, ουσιαστικά εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες, οι οποίες ορίζονται από τον τρόπο με τον οποίο κάθε μηχανή περιορίζει το υπέρθερμο πλάσμα που απαιτείται για τη δημιουργία αντιδράσεων σύντηξης: βαρυτικοί αντιδραστήρες, αντιδραστήρες αδρανειακού εγκλωβισμού και αντιδραστήρες μαγνητικού εγκλωβισμού.

Ένας αντιδραστήρας σύντηξης βαρυτικού εγκλωβισμού είναι ένας εξεζητημένος τρόπος για να περιγράψουμε τον “ήλιο“.  Λόγω του τεράστιου μεγέθους του, ο ήλιος είναι ουσιαστικά ένα φλεγόμενο κοκτέιλ θερμότητας και πίεσης, το οποίο παρέχει το τέλειο περιβάλλον για σύντηξη.

Η σύντηξη στον ήλιο ακολουθεί μια διαδικασία θερμοπυρηνικής αντίδρασης πολλαπλών σταδίων (ή πυρηνοσύνθεση), γνωστή ως αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου.

Σε αυτή τη διαδικασία, τέσσερα πρωτόνια υδρογόνου και δύο ηλεκτρόνια συντήκονται μέσω μιας διαδικασίας πολλών σταδίων και τελικά δημιουργούν ήλιο-4, δύο νετρίνα ηλεκτρονίων και έξι ακτίνες γάμμα (τις οποίες τελικά βιώνουμε ως ηλιακό φως στη Γη).

Το ήλιο-4, ένα ισότοπο του ηλίου, έχει έναν εξαιρετικά σταθερό πυρήνα.  Αποτελεί επίσης μια ιδιαίτερη περίπτωση στην καμπύλη πυρηνικής ενέργειας σύνδεσης, ένα γράφημα που δείχνει πόσο ισχυρά συγκρατούνται οι ατομικοί πυρήνες στα διάφορα στοιχεία.

Έτσι, όταν τα άτομα συντήκονται για να σχηματίσουν ήλιο-4, παράγεται ακόμη περισσότερη ενέργεια, και παρόλο που αυτές οι αντιδράσεις δεν έχουν υψηλή πιθανότητα πραγματοποίησης, η φιλοσοφία του ήλιου ότι είναι “πολύ μεγάλος για να αποτύχει” αναπληρώνει αυτές τις ενεργειακές ανεπάρκειες.

“Ο ήλιος λειτουργεί σε ένα πολύ διαφορετικό καθεστώς σύντηξης”, εξηγεί ο Tang. “Ο χρόνος εγκλωβισμού στον ήλιο είναι πραγματικά τεράστιος… υπάρχει επίσης πολύ χαμηλότερη πιθανότητα για κάθε συμβάν σύντηξης, αλλά αυτό είναι εντάξει επειδή ο ήλιος είναι τόσο πελώριος και υπάρχουν τόσοι πολλοί πυρήνες σε αυτόν”.

Πέντε δισεκατομμύρια χρόνια καυσίμου: Η πυρηνοσύνθεση και το μέλλον του ήλιου

Ο ήλιος πραγματοποιεί 100 εκατομμύρια τετράκις εκατομμύρια τετράκις εκατομμύρια αντιδράσεις σύντηξης κάθε δευτερόλεπτο, και υποβάλλεται σε αυτή τη μορφή πυρηνοσύνθεσης εδώ και πέντε δισεκατομμύρια χρόνια.

Σε άλλα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, ο ήλιος θα εξαντλήσει το υδρογόνο που είναι υπεύθυνο για αυτές τις αρχικές αντιδράσεις στην αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου, και το άστρο θα αρχίσει να καίει ήλιο, μεταβαίνοντας έτσι σε Κόκκινο Γίγαντα (έχοντας την ατυχή παρενέργεια της καταστροφής της Γης).

Ο ήλιος προσφέρει ένα δέος προκαλούν προσχέδιο για το πώς μπορεί να επιτευχθεί η πυρηνική σύντηξη, υπάρχουν όμως μερικά προβλήματα που καθιστούν αδύνατη τη μίμησή του.  Αφενός, η Γη δεν διαθέτει σε καμία περίπτωση την απαραίτητη μάζα ώστε να βασιστεί στη βαρύτητα για τον εγκλωβισμό. Αφετέρου, λόγω αυτής της έλλειψης βαρύτητας, οποιοσδήποτε επίγειος αντιδραστήρας σύντηξης θα έπρεπε να είναι πολλές φορές θερμότερος από τον ήλιο για να είναι αποτελεσματικός.

Πυρηνικοί φυσικοί και μηχανικοί εργάζονται εδώ και σχεδόν έναν αιώνα προσπαθώντας να ξεπεράσουν αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς, και έχουν καταλήξει ουσιαστικά σε δύο πιθανές λύσεις. Η μία χρησιμοποιεί μαγνήτες, η άλλη την αδράνεια.

Ο εγκλωβισμός του πλάσματος είναι μια δύσκολη υπόθεση. αυτό το “σουπ” ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων πρέπει να ανεβάσει το θερμόμετρο τουλάχιστον στους 100 εκατομμύρια βαθμούς κελσίου (για αντιδράσεις δευτερίου-τριτίου), αλλά το να θερμανθεί το πλάσμα τόσο πολύ δεν είναι απαραίτητα το δύσκολο κομμάτι. το να διασφαλιστεί ότι το πλάσμα παραμένει εγκλωβισμένο και δεν αγγίζει τίποτα άλλο — αυτό είναι μια άλλη ιστορία.

“Για τη σύντηξη, πρέπει να κάνεις τρία πράγματα: πρέπει να συγκεντρώσεις αρκετά σωματίδια μαζί, πρέπει να τα θερμάνεις αρκετά και πρέπει να τα κρατήσεις για αρκετό χρόνο ώστε να λάβει χώρα η αντίδραση“, λέει ο Phil Ferguson, Ph.D., διευθυντής του προγράμματος MPEX στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge.

“Χρειάζεσαι μια λύση στον τομέα των υλικών. Δώστε μου τα υλικά που μπορούν να κρατήσουν αυτό το πράγμα ενωμένο, σε τέτοια θερμοκρασία, ώστε να είναι αποδοτικό”.  Εδώ εμφανίζεται το tokamak (τοκαμάκ), μια μηχανή σύντηξης ασύλληπτης πολυπλοκότητας. Σχεδιάστηκε από επιστήμονες στη Σοβιετική Ένωση στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και το όνομα  tokamak,  είναι το ρωσικό ακρωνύμιο για τον “τοροειδή θάλαμο με μαγνητικά πηνία”.

Μαγνητικός εγκλωβισμός: Πώς κρατάμε τον “ήλιο” μακριά από τα τοιχώματα

Ο όρος τοροειδής είναι ένας εξεζητημένος όρος της φυσικής για το “σχήμα ντόνατ”, αλλά το σημαντικότερο μέρος είναι τα “μαγνητικά πηνία”.  Στην πιο βασική τους μορφή, τα tokamaks χρησιμοποιούν μια σχολαστικά σχεδιασμένη διάταξη ηλεκτρομαγνητών, καθώς και έναν ηλεκτρομαγνητικό παλμό μέσα στο ίδιο το πλάσμα, για να δημιουργήσουν μια περιορισμένη αντίδραση σύντηξης — με έμφαση στη λέξη περιορισμένη.

“Δεν θέλεις πραγματικά αυτό το εξαιρετικά θερμό πλάσμα να αγγίζει τα μεταλλικά τοιχώματα, γιατί θα προκαλέσει ζημιά στα τοιχώματα, αλλά θα βλάψει και το ίδιο το πλάσμα”, λέει ο Wayne Solomon, Ph.D., αντιπρόεδρος του τμήματος Μαγνητικής Ενέργειας Σύντηξης της General Atomics.

“Δεν θα μπορέσεις να το διατηρήσεις θερμό αν αυτό αγγίζει κάτι κρύο.” (Η General Atomics λειτουργεί το μεγαλύτερο tokamak σύντηξης στις ΗΠΑ, γνωστό ως D-III D)”.

Μιλώντας για κάτι κρύο, αυτοί οι μαγνήτες είναι υπεραγώγιμοι, που σημαίνει ότι δεν παρουσιάζουν καμία απολύτως ηλεκτρική αντίσταση· θεωρητικά, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε να υφίσταται μέσα σε έναν υπεραγωγό για πάντα.

Ωστόσο, πολλά υπεραγώγιμα υλικά μπορούν να λειτουργήσουν μόνο σε θερμοκρασίες που προσεγγίζουν το απόλυτο μηδέν, δηλαδή τους -273,15 βαθμούς Κελσίου (-459. 67 βαθμούς Φαρενάιτ).

Έτσι, οι αντιδραστήρες μαγνητικής σύντηξης πρέπει ουσιαστικά να συγκρατούν ταυτόχρονα μερικές από τις πιο ακραίες θερμοκρασίες στο σύμπαν.  “Στο κέντρο της συσκευής, έχεις κάτι που μπορεί να είναι δέκα φορές θερμότερο από το κέντρο του ήλιου”, λέει ο Solomon. “Αν συνεχίσεις προς το τοίχωμα, βρίσκεσαι περίπου σε θερμοκρασία δωματίου, και μετά φτάνεις στους ίδιους τους μαγνήτες, οι οποίοι βρίσκονται κοντά στο απόλυτο μηδέν”.

Τα tokamaks και άλλες ιδέες μαγνητικού εγκλωβισμού, γνωστές ως “stellarators” (στελαρέιτορ), διαφέρουν κυρίως στον τρόπο με τον οποίο οι μαγνήτες συγκρατούν το πλάσμα, αλλά και τα δύο λειτουργούν με την ίδια βασική αρχή: τη χρήση υπεραγώγιμων μαγνητών για τον “εγκλωβισμό” ενός άστρου.

Αφού, λοιπόν, έχετε αυτό το αιωρούμενο, εγκλωβισμένο πλάσμα μέσα σε έναν θάλαμο κενού, πώς ακριβώς τροφοδοτεί τα φώτα στο σπίτι σας;  Ανάμεσα στο πλάσμα και τους μαγνήτες υπάρχει ένα στρώμα περίπλοκης τεχνολογίας με ένα αναπάντεχα απλοϊκό όνομα: “μανδύας” (blanket).  Αλλά αυτοί οι “μανδύες” δεν είναι για αγκαλιές.

Για παράδειγμα, ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER) στη νότια Γαλλία, ένα από τα πιο προηγμένα tokamak στον πλανήτη, θα χρησιμοποιήσει 440 μονάδες μανδύα (βάρους 4,6 τόνων η καθεμία) για να μετατρέψει την ενέργεια της σύντηξης σε αξιοποιήσιμο ηλεκτρισμό.

Καλυμμένοι με βηρύλλιο, αυτοί οι μανδύες συλλέγουν την κινητική ενέργεια των νετρονίων και τη μετατρέπουν σε θερμότητα (ενώ μπορούν επίσης να παράγουν τριτίτιο, περισσότερα γι’ αυτό αργότερα).

Αυτή η θερμότητα μεταφέρεται σε ένα ψυκτικό υγρό νερού, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται σε στροβίλους που κινούνται μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής — ο τρόπος δηλαδή με τον οποίο λειτουργεί σήμερα κάθε εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, είτε πρόκειται για άνθρακα είτε για πυρηνική ενέργεια.

Αυτή είναι μία από τις πιο δύσκολες τεχνικά πτυχές της σύντηξης μαγνητικού εγκλωβισμού, επειδή αλληλεπιδρά άμεσα με το πλάσμα.  “Το πλάσμα έχει θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών και θέλεις να το περιορίσεις σε αυτό το «μπουκάλι», αλλά αν έχετε δει ποτέ εικόνες του ήλιου, εμφανίζονται αστάθειες — ξεπετάγονται μικρές εκλάμψεις”, λέει ο Ferguson, ο οποίος σχεδιάζει επί του παρόντος υλικά κατάλληλα για πλάσμα για το πρόγραμμα MPEX του ORNL.

“Στους 100 εκατομμύρια βαθμούς, αυτές οι εκλάμψεις αγγίζουν αυτό το τοίχωμα. Πρέπει να το διαχειριστείς μόνο για μια στιγμή, αλλά ακόμα και για μια στιγμή, οι 100 εκατομμύρια βαθμοί είναι κάτι εξαιρετικά έντονο”.

Περισσότερα από 60 χρόνια μετά τη σύλληψή τους, τα tokamaks εξακολουθούν να θεωρούνται από πολλούς επιστήμονες της σύντηξης, καθώς και από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, ως η κορυφαία προσέγγιση μαγνητικής σύντηξης, καθώς είναι προς το παρόν τα πλέον ικανά στον εγκλωβισμό του πλάσματος και στη διατήρηση της υψηλής θερμοκρασίας του — ένα απαραίτητο χαρακτηριστικό για οποιοδήποτε μελλοντικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης.

Υπάρχει όμως και μια άλλη ιδέα για τη σύντηξη που ακολουθεί μια ριζικά διαφορετική προσέγγιση, και αυτή η μηχανή κατάφερε να επιτύχει κάτι εντελώς πρωτοφανές στην ιστορία ενός αιώνα της επιστήμης της σύντηξης.  Στις 5 Δεκεμβρίου 2022, επιστήμονες στην εγκατάσταση εθνικής πυροδότησης (nif) στο εθνικό εργαστήριο lawrence livermore στην Καλιφόρνια πυροδότησαν 192 λέιζερ εναντίον ενός μικρού σφαιριδίου και ουσιαστικά συμπίεσαν το καύσιμο δευτερίου-τριτίου στο εσωτερικό του.

Όπως πολλές φορές στο παρελθόν, το πείραμα αδρανειακού εγκλωβισμού παρήγαγε μόλις λίγα νανοδευτερόλεπτα σύντηξης, αλλά αυτή τη φορά κάτι ήταν διαφορετικό. αυτή τη φορά, το πείραμα απέδωσε περισσότερη ενέργεια από την αντίδραση από όση είχε καταναλώσει.

                      

Η ανθρωπότητα είχε επιτέλους επιτύχει την πυροδότηση (ignition).  “Ένα μέρος αυτής της ενέργειας σύντηξης παραμένει στο πλάσμα και στη συνέχεια το κάνει ακόμη θερμότερο. … Τώρα, είναι ακόμη πιο πιθανό να υπάρξει περισσότερη σύντηξη”, λέει ο Tang. “Τότε είναι που έχεις πυροδότηση, όταν η αντίδραση σύντηξης αρχίζει να αυτοσυντηρείται αρκετά ώστε να παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει το πλάσμα”.

Σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες μαγνητικού εγκλωβισμού, όπως τα tokamaks και οι stellarators, ο αδρανειακός εγκλωβισμός εγκαταλείπει τους μαγνήτες και βασίζεται στην ενδόρρηξη (κατάρρευση) του ίδιου του σφαιριδίου καυσίμου για τη διατήρηση της αντίδρασης.

Αφού τα 192 υπέρυθρα λέιζερ του NIF πέρασαν μέσα από μια περίπλοκη σειρά συστοιχιών λέιζερ και ενισχυτών ισχύος, αυξάνοντας τη συνδυασμένη ενέργειά τους σε ένα petawatt (ένα τετράκις εκατομμύριο watt), οι δέσμες μετατράπηκαν σε υπεριώδεις ακτίνες που συνέκλιναν σε μια μικρή κάψουλα γνωστή ως hohlraum (γερμανικά για το «κοίλο δωμάτιο»).

100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου: Το χρονικό της ιστορικής επιτυχίας του NIF

Αυτή η υπερθερμασμένη κάψουλα δημιούργησε ένα “λουτρό” ακτίνων Χ, το οποίο τελικά συμπίεσε το σφαιρικό σφαιρίδιο δευτερίου-τριτίου στο εσωτερικό της.  Καθώς κατέρρεε με ταχύτητα περίπου 400 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, η αντίδραση σύντηξης έλαβε χώρα προτού το καύσιμο προλάβει να διασκορπιστεί.

Έτσι, κατά μία έννοια, το πλάσμα συγκρατήθηκε αποτελεσματικά από την ίδια του την αδράνεια.  Η διάρκεια αυτού του “εγκλωβισμού” κράτησε μόλις 100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, αλλά ήταν αρκετή για να παραχθεί μια σημαντική ποσότητα ενέργειας.

Κατά τη διάρκεια της πλέον διάσημης βολής πυροδότησης του NIF, η εγκατάσταση διοχέτευσε 2,05 megajoules (MJ) ενέργειας στον στόχο και παρήγαγε 3,15 MJ, πράγμα που σημαίνει ότι η αντίδραση σύντηξης, για ένα σύντομο χρονικό διάστημα, αυτοτροφοδοτούνταν.  Παρόλο που αυτοί οι αριθμοί φαίνονται μικροί, ο Tang υποστηρίζει ότι το αποτέλεσμα είναι ακόμη πιο εντυπωσιακό από ό,τι φαίνεται με την πρώτη ματιά.

Επειδή χάνεται ενέργεια κατά τη μετατροπή των υπεριωδών λέιζερ σε ακτίνες Χ μέσα στο hohlraum, η πραγματική ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για την έναρξη της αντίδρασης σύντηξης ήταν στην πραγματικότητα περίπου 250 έως 300 kilojoules, δηλαδή περίπου δώδεκα φορές μικρότερη από την ενέργεια που κερδήθηκε από την αντίδραση.

Ενώ το πείραμα του NIF χρησιμοποιεί μια διαδικασία έμμεσης ώθησης, άλλοι αντιδραστήρες αδρανειακού εγκλωβισμού πειραματίζονται με άμεση ώθηση, η οποία διοχετεύει την ενέργεια του λέιζερ απευθείας στην κάψουλα δευτερίου-τριτίου (αν και αυτές οι προσεγγίσεις παρουσιάζουν άλλου είδους απώλειες ενέργειας).

Ολόκληρη η διαδικασία διαρκεί πολύ λιγότερο από το ανοιγοκλείσιμο των ματιών, επομένως οποιοσδήποτε μελλοντικός εμπορικός αντιδραστήρας που θα βασίζεται σε αυτή την τεχνολογία θα χρησιμοποιούσε την ίδια διαδικασία, αλλά θα προκαλούσε περίπου 10 από αυτές τις μίνι-εκρήξεις το δευτερόλεπτο — δημιουργώντας ουσιαστικά έναν μικροσκοπικό ήλιο για λίγα μόλις νανοδευτερόλεπτα κάθε φορά.

“Η τεχνολογία του NIF προέρχεται από τις δεκαετίες του ’80 και του ’90… και δεν απαιτούνταν να λειτουργεί 10 φορές το δευτερόλεπτο”, λέει ο Tang, τονίζοντας ότι μία από τις κύριες αποστολές του λέιζερ ήταν στην πραγματικότητα η δοκιμή πυρηνικών όπλων — όχι η δημιουργία της επόμενης γενιάς καθαρής ενέργειας.  “Το NIF δεν είναι αποδοτικό… αν θέλεις να λειτουργεί 10 φορές το δευτερόλεπτο, θα χρησιμοποιούσες διόδους λέιζερ.”

Ευτυχώς, υπάρχει ήδη ένα λέιζερ που μπορεί να εκπέμψει αυτές τις 10 δέσμες ανά δευτερόλεπτο και ονομάζεται Προηγμένο Σύστημα Λέιζερ Petawatt Υψηλού Ρυθμού Επανάληψης (HALPS). Επειδή το NIF έχει σχεδιαστεί με χρήση τεχνολογίας λυχνιών φλας, το σύστημα απαιτεί μια σημαντική περίοδο ψύξης μεταξύ των χρήσεων.

Το HALPS, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιεί προηγμένες διόδους λέιζερ για να αποδώσει την ίδια ποσότητα ενέργειας, χωρίς σχεδόν καθόλου ανάγκη για ψύξη.  Η Xcimer Energy, με έδρα το Ντένβερ, είναι πλήρως προσηλωμένη στην προσέγγιση της αδρανειακής σύντηξης, εστιάζοντας στην ισχύ των ίδιων των λέιζερ.

Η ομάδα ελπίζει να δημιουργήσει το μεγαλύτερο λέιζερ στον κόσμο, βασισμένο σε τεχνολογία που αρχικά σχεδιάστηκε για τη Στρατηγική Αμυντική Πρωτοβουλία (“Πόλεμος των Άστρων”) της δεκαετίας του 1980. Αυτή η μηχανή θα είναι ένα λέιζερ φθοριούχου κρυπτού, που αποτελεί συνδυασμό οπτικών “αερίου” και ενισχυτών λέιζερ excimer, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ήδη στη λιθογραφία ημιαγωγών και σε άλλες βιομηχανικές εφαρμογές.

Τα αποτελέσματα θα αποδίδουν (ελπίζουμε) υψηλές ενέργειες δέσμης που θα παράγουν “10 φορές υψηλότερη ενέργεια λέιζερ με 10 φορές μεγαλύτερη απόδοση και πάνω από 30 φορές χαμηλότερο κόστος ανά τζάουλ (joule) σε σύγκριση με το σύστημα λέιζερ της Εγκατάστασης Εθνικής Πυροδότησης (NIF)”, σύμφωνα με δελτίο τύπου του Ιουνίου 2024.

Υπάρχει όμως ένας μακρύς δρόμος μπροστά, με εξελίξεις, βελτιώσεις στην απόδοση και πρωτοποριακή επιστήμη των υλικών που πρέπει να μεσολαβήσουν, προτού το επίτευγμα της πυροδότησης του NIF μετατραπεί σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας αδρανειακού εγκλωβισμού.

Ωστόσο, μετά την τελική επίτευξη της πυροδότησης, η ιστορία της αδρανειακής σύντηξης περνά σε μια νέα εποχή.  “Αυτό είναι μόνο το τέλος της αρχής“, λέει ο Tang. “Υπάρχουν ακόμα τόσα πολλά να γίνουν”.  Όπως συμβαίνει με πολλές μηχανολογικές προκλήσεις, τα πράγματα δεν είναι τόσο ξεκάθαρα όσο “ομάδα μαγνήτη” και “ομάδα αδράνειας”.

Oρισμένες προτάσεις, όπως η μαγνητο-αδρανειακή σύντηξη, δανείζονται στοιχεία και από τα δύο, ενώ ορισμένες ιδέες αδρανειακής σύντηξης, όπως η αδρανειακή σύντηξη μαγνητισμένης επένδυσης, προσθέτουν μια ελάχιστη δόση μαγνητισμού για να διατηρήσουν τις αντιδράσεις αδρανειακής σύντηξης για περισσότερο χρόνο.  Με την πυροδότηση να έχει επιτέλους επιτευχθεί, η φυσική δείχνει ότι ο εγκλωβισμός των άστρων στον πλανήτη μας είναι εφικτός, αλλά μπορούμε άραγε να αναπτύξουμε τα εξωτικά υλικά και την απίστευτη τεχνολογία που απαιτούνται για να το κάνουμε πραγματικότητα;

“Το να συντηρήσουμε πραγματικά τον πυρήνα σύντηξης, ανεβάζοντας την απόδοση όσο το δυνατόν περισσότερο ώστε να κάνουμε τη συσκευή όσο πιο αποδοτική, συμπαγή και οικονομικά προσιτή γίνεται, είναι πραγματικά σημαντικό”, λέει ο Solomon.  “Τώρα είναι η ώρα να εντείνουμε πραγματικά την προσπάθεια στην τεχνολογική πλευρά των πραγμάτων.”

Το επόμενο μεγάλο στοίχημα: Η αναζήτηση των υλικών που θα αντέξουν την ενέργεια των άστρων

Για αρχή, οι μηχανικοί προσπαθούν ακόμη να κατασκευάσουν έναν λειτουργικό μανδύα — την τεχνολογία που ουσιαστικά μετατρέπει όλη αυτή την ενέργεια της σύντηξης σε ηλεκτρισμό που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε.  Δεύτερον, οι επιστήμονες αναπτύσσουν υλικά που μπορούν να αντέξουν τις έντονες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα σε αυτές τις μηχανές, είτε πρόκειται για tokamaks και stellarators είτε για αντιδραστήρες αδρανειακού εγκλωβισμού.

“Μας λείπει ακόμη μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των υλικών”, λέει ο Ferguson. Εκτός από τις τεχνολογίες δέσμευσης νετρονίων και τα υλικά υψηλής τεχνολογίας, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί της σύντηξης πρέπει ακόμη να βρουν πώς θα “κλείσουν” τον κύκλο καυσίμου δευτερίου-τριτίου.

Ενώ το δευτέριο αφθονεί στη Γη, το τριτίτιο είναι πολύ πιο σπάνιο. Η παραγωγή περισσότερου τριτίου θα μπορούσε να καταστήσει τους αντιδραστήρες τόσο οικονομικά βιώσιμους όσο και πιο αποδοτικούς — δύο προϋποθέσεις που χρειάζεται κάθε αντιδραστήρας σύντηξης αν ελπίζει να βγει από το εργαστήριο.

Στο μεταξύ, το ενδιαφέρον για τις δυνατότητες της ενέργειας σύντηξης “θερμαίνεται“.

Οι επενδύσεις στην τεχνολογία σύντηξης εκτοξεύθηκαν κατακόρυφα το 2022, και οι ιδιωτικές εταιρείες αρχίζουν να ερευνούν τρόπους για να φέρουν αυτή την τεχνολογία στην αγορά.

Η General Atomics ανακοίνωσε επίσης τον Οκτώβριο του 2022 σχέδια για την κατασκευή μιας πιλοτικής μονάδας σύντηξης. Ο ITER, ο μεγαλύτερος αντιδραστήρας σύντηξης μαγνητικού εγκλωβισμού, είναι προγραμματισμένος να επιτύχει το “πρώτο πλάσμα”.

Ο διάδοχος του ITER, που ονομάζεται DEMO (μονάδα επίδειξης ισχύος), βρίσκεται ήδη υπό κατασκευή και έχει σχεδιαστεί για να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ των εργαστηριακών πειραμάτων και της εμπορευματοποιημένης ενέργειας. Ωστόσο, αυτό το έργο δεν προβλέπεται να τεθεί σε λειτουργία πριν από τη δεκαετία του 2050.

Στο μεταξύ, αντιδραστήρες σε όλο τον κόσμο, όπως ο Joint European Torus (JET) στο Ηνωμένο Βασίλειο, το tokamak JT-60SA στην Ιαπωνία και ο D-III D στις ΗΠΑ, συνεχίζουν να ερευνούν τα άγνωστα μυστήρια της σύντηξης.

Όμως, αυτό το μέλλον πλησιάζει.

 

“Αυτή είναι η ενέργεια του σύμπαντος”, λέει ο Tang. “Αν βρούμε πώς να την τιθασεύσουμε αποτελεσματικά και αποδοτικά, αυτό είναι. Αυτό είναι το τέλος. Αυτή είναι η λύση. Για όλα όσα κατανοούμε σχετικά με το πώς λειτουργεί το σύμπαν, έχουμε πλέον βρει τον τρόπο να αξιοποιήσουμε τη θεμελιώδη πηγή ενέργειάς του.”  “Πρέπει να συνεχίσουμε να προχωράμε μπροστά.”

Από το enikos