Αναζητώντας φτηνές και γρήγορες λύσεις για θερμοπυρηνική ενέργεια

Αναζητώντας φτηνές και γρήγορες λύσεις για θερμοπυρηνική ενέργεια

Η «Μηχανή Ζ» των Εργαστηρίων «Sandia» δημιουργεί σύντομους παλμούς πολύ ισχυρών ρευμάτων, που με τη σειρά τους δημιουργούν ισχυρότατα μαγνητικά πεδία, ικανά - θεωρητικά - να συμπιέσουν το πυρηνικό καύσιμο αρκετά ώστε να αρχίσει πυρηνική σύντηξη

Ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER), ένα έργο που ξεκίνησε το 2006 με προϋπολογισμό 11 δισεκατομμυρίων δολαρίων και πρόβλεψη ολοκλήρωσής του τη χρονιά που πέρασε, με τα σημερινά δεδομένα δε θα λειτουργήσει πριν από το 2035, ενώ ήδη ο προϋπολογισμός του έχει φουσκώσει στα 20 δισ. Για πολλοστή φορά απειλήθηκε αποχώρηση από το διεθνές κονσόρτσιουμ των ΗΠΑ, στις οποίες αναλογούν 5 δισ. δολάρια του τελικού κόστους, αλλά τελικά αποφασίστηκε να συνεχιστεί η χρηματοδότηση, τουλάχιστον έως το τέλος του 2017.
Ο ITER κατασκευάζεται στη Γαλλία και είναι έργο τεράστιων διαστάσεων (ο αντιδραστήρας έχει ύψος 10 ορόφων) παρότι πρόκειται, όπως λέει και το όνομά του, όχι για αντιδραστήρα σύντηξης παραγωγής, αλλά για πειραματικό αντιδραστήρα, ένα ή ίσως δύο βήματα πριν από την κατασκευή αντιδραστήρων για εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής. Θα στηρίζεται σε γιγαντιαίους υπεραγώγιμους μαγνήτες που θα περιορίζουν πλάσμα θερμοκρασίας 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, ώστε να επιτευχθεί κάτι περισσότερο από ενεργειακά αυτοσυντηρούμενη σύντηξη. Ενα άλλο γιγαντιαίο ερευνητικό έργο που σχετίζεται με τη σύντηξη, αλλά και με στρατιωτικές εφαρμογές, είναι η αμερικανική Εθνική Εγκατάσταση Εναυσης (National Ignition Facility), κόστους 4 δισεκατομμυρίων δολαρίων, που έχει καταληχθεί ως αδιέξοδο, όσον αφορά πρακτική αξιοποίηση της τεχνολογίας της, για σύντηξη με σκοπό την παραγωγή Ενέργειας. Η NIF πυροδοτεί στιγμιαία σύντηξη μερικές εκατοντάδες φορές κάθε χρόνο, όταν ένα ανάλογης έμπνευσης εργοστάσιο θα έπρεπε να πυροδοτεί δεκάδες χιλιάδες φορές κάθε μέρα. Η NIF θα έπρεπε να παράγει 30.000 φορές περισσότερη Ενέργεια μόνο και μόνο για να αυτοτροφοδοτεί τα λέιζερ που χρησιμοποιεί και φυσικά θα χρειαζόταν να είναι ακόμη πιο παραγωγική αν ήταν να χρησιμοποιηθεί για τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου.

Λεφτά υπάρχουν...

Οι εγχυτές (κίτρινου και μεταλλικού χρώματος σωλήνες) της μηχανής σύντηξης της «Tri Alpha» πυροδοτούν ακτίνες ατόμων που περιστρέφουν τον κύλινδρο πλάσματος, ώστε να το κρατούν σταθερό μέσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα

Με αυτά τα δεδομένα, στάσιμα κεφάλαια λόγω της κρίσης υπερσυσσώρευσης βρίσκουν διέξοδο σε επενδύσεις με πολύ μικρή πιθανότητα επιτυχίας, αλλά πολύ μεγάλη απόδοση αν επιτύχουν. Τα εργοστάσια σύντηξης προβλέπεται ότι θα χρησιμοποιούν ως καύσιμο ισότοπα του υδρογόνου που υπάρχουν σε τεράστιες ποσότητες στο νερό των ωκεανών και σε ορισμένα ορυκτά, ενώ από τη λειτουργία τους δεν υπάρχει κίνδυνος πυρηνικού ατυχήματος (αντίθετα με τα εργοστάσια πυρηνικής σχάσης), ούτε προκύπτει ρύπανση από διοξείδιο του άνθρακα. Οι νεοφυείς επιχειρήσεις που σχηματίζονται με επιχειρηματικά κεφάλαια για να διερευνήσουν πιο φτηνές και γρήγορες λύσεις, είναι σχεδιασμένες να δώσουν αποτέλεσμα, θετικό ή αρνητικό, πολύ γρήγορα, πριν τα κόστη φτάσουν σε δισεκατομμύρια και ο χρόνος ανάπτυξης σε δεκαετίες. Οι αντιδραστήρες τους είναι 100 φορές πιο φτηνοί στην κατασκευή τους συγκριτικά με τον ITER και είναι πιο εύκολο και γρήγορο να κατασκευαστούν και να αποσυναρμολογηθούν αν δεν αποδώσουν. Ισως αποδειχτούν κάτι ανάλογο με τη χίμαιρα της «ψυχρής σύντηξης», αλλά και λεφτά έχουν (οι κεφαλαιοκράτες) και το έπαθλο είναι μεγάλο.
Μία από τις εταιρείες που διεξάγουν σχετικά πειράματα είναι η «HyperV Technologies», που χρησιμοποιεί εκατοντάδες πυροβόλα πλάσματος προερχόμενου από το ευγενές αέριο αργό, τα οποία στοχεύουν μια μικρή ποσότητα συντήξιμου υδρογόνου στο κέντρο ενός σφαιρικού αντιδραστήρα. Η «Sandia National Laboratories», από τη μεριά της, δοκιμάζει μια τεχνική που έχει αναλογίες με εκείνη της NIF, αλλά σε μικρότερη κλίμακα και πιο αποδοτικά. Μια άλλη εταιρεία είναι η «Tri Alpha Energy», που έχει να επιδείξει τη μεγαλύτερη πρόοδο μέχρι στιγμής, δοκιμάζοντας αντιδραστήρες οι οποίοι δημιουργούν περιστρεφόμενους κυλίνδρους πλάσματος, που διαρκούν 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου, μακριά ακόμα από τα επιθυμητά επίπεδα για τη σύντηξη. Μια ακόμη εταιρεία είναι η «General Fusion», που δοκιμάζει ένα μηχανισμό με έμβολα που επιταχύνονται από πεπιεσμένο αέριο έως τα 200 χιλιόμετρα την ώρα και με απόλυτο συγχρονισμό (απόκλιση μικρότερη των 5 εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου) δημιουργούν στο κέντρο ενός θαλάμου ισχυρό κρουστικό κύμα, που συμπιέζει ένα δακτύλιο πλάσματος.

Μεγάλα έμβολα ενός πρωτότυπου της μηχανής σύντηξης της «General Fusion» χτυπάνε συγχρονισμένα σε «αμόνια» δημιουργώντας κρουστικό κύμα, που σε μια μεγαλύτερου μεγέθους μηχανή θα μπορούσε - θεωρητικά - να προκαλέσει σύντηξη σε ποσότητα καυσίμου στο κέντρο του αντιδραστήρα

Τα κεφάλαια της «General Fusion» προέρχονται κατά ένα μέρος από τον Τζεφ Μπέζος, ιδρυτή της «Amazon.com», την καναδική κυβέρνηση και ένα μαλαισιανό επενδυτικό ταμείο. Η «Tri Alpha» έχει μαζέψει κεφάλαια εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων από επενδυτές, όπως η «Goldman Sacks» και ο Πολ Αλεν, συνιδρυτής της «Microsoft». Η «Sandia» χρηματοδοτείται κυρίως από το υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, αλλά με όρους ανάλογους των χρηματοδοτήσεων από επενδυτικά κεφάλαια ιδιωτών.

Δύσκολο πλάσμα

Η δυσκολία σταθεροποίησης του πλάσματος πηγάζει από την ίδια τη φύση της σύντηξης. Δύο πυρήνες ατόμων, που έχουν χάσει όλα τα ηλεκτρόνια που κανονικά περιφέρονται γύρω τους, μπορούν να συνενωθούν μόνο όταν έρθουν αρκετά κοντά, για χρονικό διάστημα τέτοιο που η έλξη της ισχυρής πυρηνικής δύναμης να υπερνικήσει την ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων. Οταν γίνει η σύντηξη, οι πυρήνες σχηματίζουν πυρήνα ενός βαρύτερου στοιχείου, που έχει όμως ελαφρώς μικρότερη μάζα από το άθροισμα της μάζας τους. Η μάζα που λείπει μετατρέπεται σε ενέργεια, με τη μορφή φωτονίων και γρήγορα κινούμενων υποατομικών σωματιδίων. Αντίθετα, οι αντιδραστήρες σχάσης εξάγουν ενέργεια από άτομα όπως το ουράνιο, από - μικρότερο - ποσοστό μάζας που μετατρέπεται σε ενέργεια, κατά το σχηματισμό δύο ελαφρότερων πυρήνων.
Για να είναι μεγάλο το ποσοστό πυρήνων που συντήκονται, τα ιόντα στο πλάσμα (πλήρως ιονισμένη μορφή της ύλης) πρέπει να κινούνται γρήγορα το ένα προς το άλλο - αλλά όχι πολύ γρήγορα. Αυτό σημαίνει ότι η θερμοκρασία του πλάσματος πρέπει να είναι πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Ο αντιδραστήρας σύντηξης πρέπει να συμπιέζει το υπέρθερμο πλάσμα σε ένα σχετικά μικρό χώρο μέσα σε θάλαμο κενού και να συγκρατεί τα ιόντα (τους πυρήνες) εκεί, μέχρι να πραγματοποιηθεί η αντίδραση σύντηξης. Γενικά το γινόμενο της πυκνότητας του πλάσματος και του διαθέσιμου χρόνου αντίδρασης πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 10¹⁴ (1 με 14 μηδενικά...). Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα ευρύ φάσμα συνδυασμών πυκνότητας, χρόνου και θερμοκρασίας, που μπορεί να δώσει το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Εναλλακτικές

Ο ITER, με σχεδιασμό αντιδραστήρα όπως αυτόν του σοβιετικής προέλευσης «Τόκαμακ», χρησιμοποιεί αραιό πλάσμα βάρους περίπου μισού γραμμαρίου, προερχόμενο από τα ισότοπα του υδρογόνου δευτέριο και τρίτιο, που αιωρείται μέσα σε ένα θάλαμο κενού, μεγέθους μικρού σπιτιού. Στοχεύει δηλαδή σε πλάσμα χαμηλής πυκνότητας, που διατηρείται σε συνθήκες αντίδρασης επί μερικά δευτερόλεπτα κάθε φορά.
Αντίθετα, η NIF πυροδοτεί ριπές λέιζερ ισχύος 500 τρισεκατομμυρίων βατ, προερχόμενες από 192 κατευθύνσεις, προς ένα μικροσκοπικό δοχείο, που περιέχει ένα παγωμένο κόκκο δευτερίου και τριτίου. Τα οπτικά στοιχεία και τα ηλεκτρονικά που δημιουργούν και κατευθύνουν αυτούς τους παλμούς λέιζερ απαιτούν ένα κτίριο ύψους 30 μέτρων και μεγέθους τριών ποδοσφαιρικών γηπέδων. Για να πετύχει την έναυση - κατάσταση κατά την οποία το συντηκόμενο καύσιμο απελευθερώνει αρκετή ενέργεια ώστε να διατηρείται η αντίδραση σύντηξης χωρίς εξωτερική συνεισφορά ενέργειας - η NIF απαιτεί εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα πλάσματος, επειδή το πλάσμα με την τεχνική αυτή περιορίζεται καθαρά από αδρανειακές δυνάμεις, μόλις για ένα κλάσμα του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Οι ερευνητές των κεφαλαιούχων, που επενδύουν με άμεσο τρόπο στη σύντηξη (αλλά και με τη συμβολή του καπιταλιστικού κράτους τους), θεωρούν ότι υπάρχει μεγάλο ανεξερεύνητο πεδίο ανάμεσα σε αυτά τα δύο άκρα, δηλαδή μέτριας πυκνότητας πλάσμα και ενδιάμεσοι χρόνοι ενεργειακού περιορισμού του πλάσματος (ώστε να μπορεί να πραγματοποιηθεί η αντίδραση). Ο έλεγχος του πλάσματος την ώρα που εξελίσσεται σύντηξη μέσα σ' αυτό είναι σαν να προσπαθείς να συμπιέσεις τη φλόγα ενός κεριού χωρίς να την αγγίξεις. Στην πράξη είναι κάτι πολύ πιο δύσκολο, καθώς τα ιόντα μέσα στο πλάσμα σχηματίζουν τα δικά τους σύνθετα και καταστροφικά για τη συνέχιση της αντίδρασης ηλεκτρικά ρεύματα και μαγνητικά πεδία. Ακόμα κι αν καταφέρεις να ανάψεις το «κερί», αυτό θα σβήσει γρήγορα από μόνο του.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»