Σύνταξη-επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Ένα αμερικανικό επιστημονικό ινστιτούτο βρίσκεται στα πρόθυρα επίτευξης ενός μακροχρόνιου στόχου στην έρευνα της πυρηνικής σύντηξης. Το National Ignition Facility (NIF), χρησιμοποιεί ένα ισχυρό λέιζερ για τη θέρμανση και τη συμπίεση του καυσίμου υδρογόνου, που ξεκινά την πυρηνική σύντηξη. Ένα πρόσφατο πείραμα έδειξε ότι ο στόχος της «ανάφλεξης», όπου η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σύντηξη υπερβαίνει αυτή που παρέχεται από το λέιζερ, βρίσκεται τώρα σε απόσταση επαφής.
Η αξιοποίηση της σύντηξης – η διαδικασία που εκλύει την ενέργεια του ήλιου – θα μπορούσε να προσφέρει μια απεριόριστη καθαρή πηγή ενέργειας. Σε μια διαδικασία που ονομάζεται σύντηξη αδρανούς περιορισμού (inertial confinement fusion), 192 ακτίνες από το λέιζερ του NIF – το υψηλότερο ενεργειακό παράδειγμα στον κόσμο – κατευθύνονται προς μια κάψουλα μεγέθους κόκκου πιπεριού που περιέχει δευτέριο και τρίτιο, οι οποίες είναι διαφορετικές μορφές του υδρογόνου. Αυτό συμπιέζει το καύσιμο σε 100 φορές την πυκνότητα του μόλυβδου και το θερμαίνει στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου – θερμότερο από το κέντρο του Ηλίου. Αυτές οι συνθήκες βοηθούν στην έναρξη της θερμοπυρηνικής σύντηξης.
Ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε στις 8 Αυγούστου απέδωσε 1,35 megajoules (MJ) ενέργειας – περίπου το 70% της ενέργειας του λέιζερ που διατέθηκε στην κάψουλα καυσίμου. Η επίτευξη ανάφλεξης σημαίνει απόδοση από σύντηξη μεγαλύτερη από το 1,9 MJ που έχει διατεθεί από το λέιζερ. «Αυτή είναι μια τεράστια πρόοδος για τη σύντηξη και για ολόκληρη την κοινότητα της σύντηξης», δήλωσε στο BBC News η Debbie Callahan, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, που φιλοξενεί το NIF.
Ως μέτρο προόδου, η απόδοση από το πείραμα αυτό είναι οκτώ φορές το προηγούμενο ρεκόρ του NIF, που δημιουργήθηκε την άνοιξη του 2021 και 25 φορές η απόδοση από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν το 2018. «Ο ρυθμός βελτίωσης της παραγωγής ενέργειας ήταν γρήγορος, υποδηλώνοντας ότι μπορεί σύντομα να φτάσει σε περισσότερα ενεργειακά ορόσημα, όπως η υπέρβαση της εισροής ενέργειας από τα λέιζερ που χρησιμοποιήθηκαν για να ξεκινήσει η διαδικασία», δήλωσε ο καθηγητής Jeremy Chittenden, συν-διευθυντής του Centre for Inertial Fusion στο Imperial College του Λονδίνου.
Οι επιστήμονες του NIF πιστεύουν επίσης ότι έχουν επιτύχει τώρα κάτι που ονομάζεται «καιόμενο πλάσμα» (burning plasma), όπου οι ίδιες οι αντιδράσεις σύντηξης παρέχουν τη θερμότητα για περισσότερη σύντηξη. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για να αυτοσυντηρηθεί η διαδικασία.
«Η αυτοεξυπηρετούμενη καύση είναι απαραίτητη για την επίτευξη υψηλής απόδοσης», εξηγεί η Δρ. Callahan. «Το κύμα καύσης πρέπει να απλωθεί μέσα στο καύσιμο υψηλής πυκνότητας για να βγάλει πολλή ενέργεια σύντηξης. Πιστεύουμε ότι το πείραμα που εκτελέσαμε βρίσκεται σε αυτά τα πλαίσια, αν και κάνουμε ακόμη αναλύσεις και προσομοιώσεις για να είμαστε βέβαιοι ότι καταλαβαίνουμε το αποτέλεσμα», προσθέτει.
«Το επόμενο βήμα», συνεχίζει η Δρ. Callahan «είναι να επαναληφθούν τα πειράματα. Αυτό είναι θεμελιώδες για την πειραματική επιστήμη. Πρέπει να καταλάβουμε πόσο αναπαραγώγιμα και ευαίσθητα είναι τα αποτελέσματα σε μικρές αλλαγές. Μετά από αυτό, έχουμε ιδέες για το πώς να βελτιώσουμε αυτό το σχέδιο και θα ξεκινήσουμε να δουλεύουμε σε αυτές, το επόμενο έτος», καταλήγει.
«Το mega-joule της ενέργειας που απελευθερώνεται στο πείραμα είναι όντως εντυπωσιακό σε όρους σύντηξης, αλλά στην πράξη αυτό ισοδυναμεί με την ενέργεια που απαιτείται για να βράσει έναν βραστήρα», εξηγεί ο καθηγητής Chittenden. Επίσης προσθέτει: «Πολύ υψηλότερες ενέργειες σύντηξης μπορούν να επιτευχθούν μέσω ανάφλεξης, αν μπορέσουμε να πετύχουμε να κρατήσουμε το καύσιμο μαζί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, για να επιτρέψουμε να καεί περισσότερο μέρος του. Αυτός είναι ο επόμενος ορίζοντας για την σύντηξη αδρανούς περιορισμού», προσθέτει. Η υπάρχουσα και ήδη χρησιμοποιούμενη πυρηνική ενέργεια βασίζεται σε μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση, όπου ένα βαρύ χημικό στοιχείο διασπάται σε ελαφρύτερα στοιχεία. Η σύντηξη λειτουργεί με την συνένωση δυο ελαφρότερων στοιχείων σε ενα βαρύτερο.
Η κατασκευή του NIF ξεκίνησε το 1997 και ολοκληρώθηκε το 2009. Τα πρώτα πειράματα για τη δοκιμή της ισχύος του λέιζερ ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2010. Η άλλη λειτουργία του NIF είναι να εγγυάται την ασφάλεια και την αξιοπιστία των αποθεμάτων πυρηνικών όπλων της Αμερικής. Κατά καιρούς, επιστήμονες που θέλησαν να χρησιμοποιήσουν το τεράστιο λέιζερ για σύντηξη είχαν πιεστεί χρονικά από άλλα πειράματα με στόχο την εθνική ασφάλεια.
Το 2013, σύμφωνα με το BBC, κατά τη διάρκεια πειραμάτων στο NIF, διαπιστώθηκε ότι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται μέσω της σύντηξης υπερβαίνει την ποσότητα της ενέργειας που απορροφάται από το καύσιμο – μια σημαντική ανακάλυψη και μια πρώτη για οποιαδήποτε εγκατάσταση σύντηξης στον κόσμο. Τα αποτελέσματα από αυτές τις δοκιμές δημοσιεύθηκαν αργότερα στο περιοδικό Nature.
Το NIF είναι ένα από τα πολλά projects στον κόσμο που έχουν προσανατολιστεί στην προώθηση της έρευνας της πυρηνικής σύντηξης. Ένα από αυτά είναι η εγκατάσταση ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – πολλών δισεκατομμυρίων ευρώ – που βρίσκεται υπό κατασκευή στο Cadarache της Γαλλίας, καθώς και το αντίστοιχο του στην πόλη Chengdu, της επαρχίας Sichuan της Κίνας, που εγκαινιάσθηκε τον Μάρτιο. Το ITER υιοθετεί διαφορετική προσέγγιση στη σύντηξη από αυτήν με λέιζερ του NIF. Η εγκατάσταση στη νότια Γαλλία αλλά και αυτή στην Κίνα, θα χρησιμοποιήσουν μαγνητικά πεδία για την διατήρηση θερμού πλάσματος με τη μορφή ηλεκτρικά φορτισμένου αέριου. Αυτή η μέθοδος είναι γνωστή ως σύντηξη μαγνητικού περιορισμού (MCF).
Η κατασκευή εμπορικά βιώσιμων εγκαταστάσεων σύντηξης, που θα μπορούν να παρέχουν ενέργεια στο δίκτυο, θα απαιτήσει ένα άλλο τεράστιο άλμα. «Η μετατροπή αυτής της ιδέας σε ανανεώσιμη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι πιθανό να είναι μια μακρά διαδικασία και θα περιλαμβάνει την υπέρβαση ουσιαστικών τεχνικών προκλήσεων, όπως το να μπορούμε να επαναλάβουμε αυτό το πείραμα αρκετές φορές το δευτερόλεπτο, προκειμένου να παράγουμε μια σταθερή πηγή ενέργειας», καταλήγει ο καθηγητής Chittenden.
Πηγή: BBC
