Ευνοϊκότερες συνθήκες και αυξημένο ενδιαφέρον για παραγωγή θερμοπυρηνικής ενέργειας

• Στόχο για «πρώτο πλάσμα» το 2024 έχει το διεθνές κονσόρτιουμ του μεγάλου πειραματικού αντιδραστήρα ITER - τύπου τόκαμακ - και πρώτη δοκιμή παραγωγής ενέργειας το 2035
• Η τεράστια πρόοδος της τεχνικής και της επιστήμης επιταχύνει την εξεύρεση λύσεων σε δυσεπίλυτα προβλήματα στη λειτουργία των αντιδραστήρων και ανοίγει δρόμο απευθείας εισόδου των μονοπωλίων στον τομέα
• Επανεξετάζονται οι δυνατότητες των αντιδραστήρων τύπου stellarator

Απλοποιημένο σχέδιο αντιδραστήρα τύπου stellarator. Η ροζ συνεστραμμένη ταινία απεικονίζει το πλάσμα, ενώ με πορτοκαλί και ασημί γύρω από τον θάλαμο που το περιβάλλει οι ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες

Η πυρηνική σύντηξη θα μπορούσε να προσφέρει σχεδόν απεριόριστη Ενέργεια, χωρίς έκλυση διοξειδίου του άνθρακα ή παραγωγή ραδιενεργών αποβλήτων. Γι' αυτό πρόκειται για τεχνολογία που δεν άφησε κανέναν αδιάφορο, ήδη από τη δεκαετία του 1950. Καύσιμο για τους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες είναι το δευτέριο και το τρίτιο, δύο ισότοπα του υδρογόνου. Το πρώτο υπάρχει σε συγκέντρωση 35 χιλιοστών του γραμμαρίου σε κάθε λίτρο νερού, ενώ το δεύτερο μπορεί να κατασκευαστεί εύκολα μέσα στον ίδιο τον αντιδραστήρα, από λίθιο, που επίσης υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στον στερεό φλοιό της Γης αλλά και στη θάλασσα. Η Ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σύντηξη είναι πολλαπλάσια εκείνης που απελευθερώνεται κατά τη σχάση. Ετσι, κάθε λίτρο νερού έχει ποσότητα δευτερίου, που αντιστοιχεί σε 340 λίτρα βενζίνης! Υπολογίζεται ότι το δευτέριο και το λίθιο επαρκούν για να καλύψουν τις ανάγκες παραγωγής Ενέργειας στον πλανήτη μας επί εκατομμύρια χρόνια.
Παρά τα βήματα που έχουν γίνει, δεν έχει αποδειχτεί ακόμη ότι η θερμοπυρηνική ενέργεια είναι αξιοποιήσιμη. Τώρα, όμως, τα πράγματα αλλάζουν και η εξέλιξη στον τομέα αναμένεται να είναι πολύ πιο γοργή. Οχι επειδή άρχισαν να μπαίνουν μαζικά στο παιχνίδι νεοφυείς εταιρείες και μεγιστάνες που τις υποστηρίζουν, καθώς οσμίζονται μια νέα επικείμενη αγορά με αμύθητα κέρδη γι' αυτούς. Ούτε μόνο επειδή η επιστημονικοτεχνική εξέλιξη που μεσολάβησε προσφέρει νέες προσεγγίσεις, υλικά και τεχνολογίες. Υπάρχει ένας νέος παίκτης, που μπορεί να αλλάξει τους κανόνες: Η τεχνητή νοημοσύνη.

Ενέργεια των άστρων

Το κέλυφος του αντιδραστήρα Wendelstein 7-X, τύπου stellarator, ταιριαστό με το πολύ δύσκολο στην κατασκευή εσωτερικό του. Οι αμέτρητες θυρίδες είναι για να επιτρέπουν στους επιστήμονες να παίρνουν μετρήσεις από διάφορα σημεία

Η πυρηνική σύντηξη είναι η πιο διαδεδομένη πηγή Ενέργειας στο σύμπαν και μια από τις πιο αποδοτικές. Ο Ηλιος και όλα τα άστρα παράγουν θερμοπυρηνικά την Ενέργεια που εκπέμπουν. Οταν δύο πυρήνες ατόμων κάτω από κατάλληλες συνθήκες συνενωθούν σε έναν μεγαλύτερο πυρήνα, απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες Ενέργειας. Ομως αυτό που γίνεται βαθιά στο εσωτερικό των άστρων είναι δύσκολο να αναπαραχθεί στη Γη. Απαιτεί τη δημιουργία πλάσματος (πλάσμα λέγεται η τέταρτη κατάσταση στην οποία περιέρχεται η ύλη σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες) και πολύ υψηλές πιέσεις, συνθήκες που είναι δύσκολο να επιτευχθούν και όπως αποδείχτηκε ακόμη πιο δύσκολο να διατηρηθούν για αρκετό χρόνο.
Η προσέγγιση που έχει δώσει αποτελέσματα είναι αυτή του μαγνητικού περιορισμού του πλάσματος μέσα σε θάλαμο κενού (επειδή αποτελείται από κινούμενα φορτισμένα σωματίδια το πλάσμα αλληλεπιδρά με τα μαγνητικά πεδία), έτσι ώστε να μην έρχεται σε επαφή με τα τοιχώματα του δοχείου του. Μια τέτοια επαφή θα προκαλούσε φθορές στη συσκευή, αλλά θα οδηγούσε και στην απότομη ψύξη του πλάσματος, με αποτέλεσμα την παύση της δυνατότητας πραγματοποίησης σύντηξης σ' αυτό. Επιπλέον, επειδή δεν μπορούμε να διατηρήσουμε για αρκετό διάστημα υψηλές πιέσεις στο πλάσμα, η θερμοκρασία του πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη απ' ό,τι στο εσωτερικό των άστρων, ώστε να είναι πραγματοποιήσιμη η σύντηξη.

Νικητής ο τόκαμακ

Οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές σχηματίζουν μια επιφάνεια. Μέσα στον κλειστό χώρο που σχηματίζεται από αυτές τις επιφάνειες παγιδεύεται το πλάσμα στους αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης (εδώ εικόνα από δοκιμή παραγωγής πλάσματος στον Wendelstein 7-X)

Τη δεκαετία του 1950 στον καπιταλιστικό κόσμο επικρατούσε η σχεδίαση αντιδραστήρα σύντηξης τύπου stellarator (stellar = αστρικός, κατάληξη -rator = -της), που επιδιώκει να διαχειριστεί πλάσμα με μορφή κυματιστού δαχτυλιδιού. Για να το πετύχει χρησιμοποιεί μαγνήτες και σχήμα δοχείου, που είναι πολύ δύσκολα στην κατασκευή (τουλάχιστον ήταν την εποχή εκείνη). Αυτοί οι αντιδραστήρες παράγουν πολύπλοκα μαγνητικά πεδία, που θεωρητικά μπορούν να δώσουν σταθερό πλάσμα. Την ίδια εποχή, οι επιστήμονες στη Σοβιετική Ενωση ανέπτυσσαν έναν άλλου τύπου αντιδραστήρα σύντηξης, τον αντιδραστήρα τόκαμακ (από τα αρχικά της ονομασίας του στα Ρωσικά), που δημιουργεί πλάσμα με μορφή απλού δαχτυλιδιού. Εως το τέλος της δεκαετίας του 1960 είχαν καταφέρει να έχουν απόδοση του αντιδραστήρα τάξης μεγέθους καλύτερη από τους stellarator, αλλά στη Δύση απέρριπταν τις επιστημονικές ανακοινώσεις τους, επειδή τάχα δεν στηρίζονταν σε σωστές μετρήσεις. Μόνο όταν το 1969 κάλεσαν μια ομάδα Βρετανών επιστημόνων να κάνουν οι ίδιοι μετρήσεις σε έναν τόκαμακ, έγινε στον καπιταλιστικό κόσμο αποδεκτό ότι η σοβιετική σχεδίαση αντιδραστήρα σύντηξης ήταν πολύ πιο προχωρημένη. Ως αποτέλεσμα τη δεκαετία του 1970 υπήρξε μια φρενίτιδα κατασκευής μικρών τόκαμακ σε όλο τον κόσμο.

Εργάτες με τη βοήθεια γερανών συναρμολογούν τους παράξενου και δύσκολα κατασκευάσιμου σχήματος μαγνήτες των αντιδραστήρων τύπου stellarator

Ο Κοινός Ευρωπαϊκός Δακτύλιος (JET), ένας αντιδραστήρας τόκαμακ στη Βρετανία, πέτυχε το 1997 να παράξει 16 μεγαβάτ Ενέργειας, αρκετά κοντά στα 24 μεγαβάτ που κατανάλωσε, αλλά η αντίδραση διήρκεσε μόλις λίγα εκατοστά του δευτερολέπτου. Το Νοέμβρη του 2020 θα «ανάψει» και πάλι, επιχειρώντας να βελτιώσει τόσο την απόδοση, όσο και τη διάρκεια της αντίδρασης. Το 2018 ο κινεζικός τόκαμακ EAST, διατήρησε πλάσμα 15 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου επί 100 δευτερόλεπτα και σκοπεύει να κάνει νέα δοκιμή φέτος. Ομως είναι πολύ μικρός μπροστά στον Διεθνή Θερμοπυρηνικό Πειραματικό Αντιδραστήρα, γνωστό ως ITER, που κατασκευάζεται στη Γαλλία, με τη συνεργασία 31 χωρών, ανάμεσά τους η ΕΕ, η Ρωσία, η Κίνα, η Ινδία, η Νότια Κορέα και οι ΗΠΑ (που επανειλημμένα απείλησαν να αποχωρήσουν και τελικά συνεισφέρουν όσο και η Νότια Κορέα). Στόχος είναι ο ITER να παράξει για πρώτη φορά πλάσμα το 2024, αλλά δεν αναμένεται να αποπειραθεί θερμοπυρηνική σύντηξη πριν το 2035, επιδιώκοντας η παραγόμενη Ενέργεια να είναι 10 φορές μεγαλύτερη από την καταναλισκόμενη για τη λειτουργία του. Ομως είναι πειραματικός αντιδραστήρας. Αν πετύχει, θα βοηθήσει στην κατασκευή του αντιδραστήρα - πιλότου που έχει ονομαστεί DEMO και μετά θα αρχίσει η κατασκευή των αντιδραστήρων παραγωγής. Στο μεταξύ, η Κίνα κατασκευάζει και έναν νέο αντιδραστήρα τόκαμακ, 3 φορές μεγαλύτερο από τον EAST.

Στο «ψητό»

Οι επιλογές του κεφαλαίου σε σχέση με την «πράσινη ανάπτυξη» ασκούν πίεση για την εύρεση λύσεων αντικατάστασης των ορυκτών καυσίμων πιο σύντομα από το 2050. Η ανακάλυψη υλικών που επιτρέπουν την κατασκευή πολύ ισχυρών υπεραγώγιμων μαγνητών, οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, μαζί με την ανάπτυξη της ρομποτικής, που επιτρέπει έλεγχο και συντήρηση του αντιδραστήρα χωρίς άμεση ανάμειξη του ανθρώπου, κάνουν δυνατή την κατασκευή αντιδραστήρων μικρότερου κόστους (ο ITER έχει ξεπεράσει τα 20 δισ. ευρώ) και την είσοδο στον τομέα, όχι μόνο συνεργασιών κρατών ή μεμονωμένων κρατών, αλλά και δισεκατομμυριούχων, όπως ο Μπιλ Γκέιτς, ο Τζεφ Μπέζος, ο Τζακ Μα και ο Ρίτσαρντ Μπράνσον. Ολοι αυτοί ελπίζουν να πετύχουν κάτι ανάλογο με αυτό, που πέτυχε ο Ελον Μασκ με την «SpaceX», αλλά στο πιο προσοδοφόρο...

Τμήμα του θαλάμου σύντηξης ενός αντιδραστήρα stellarator, που μοιάζει με τμήμα έργου μοντέρνας γλυπτικής

Κάποια φαινόμενα που εμφανίζονται τυχαία μέσα στο πλάσμα των τόκαμακ και δεν είναι εύκολα διαχειρίσιμα, έχουν οδηγήσει ορισμένες εταιρείες να ξανακοιτάξουν τους stellarator. Αλλωστε, η Γερμανία, που συμμετέχει στον ITER, μέσω της ΕΕ, ετοιμάζεται το 2021 να προσπαθήσει να διατηρήσει πλάσμα επί 30 λεπτά, μέσα στον αντιδραστήρα Wendelstein 7-X, του ινστιτούτου Μαξ Πλανκ. Ο τύπου stellarator W 7-X, δοκιμάστηκε ήδη το 2015 φτιάχνοντας για λίγο πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας. Ομως η ρύθμιση των stellarator σημαίνει αλλεπάλληλες δοκιμές, αλλάζοντας γύρω στις 50 παραμέτρους, μέχρι να βρεθεί μια ικανοποιητική λύση.
Για την αντιμετώπιση του ζητήματος σταθεροποίησης του πλάσματος, τόσο στους stellarator, όσο και στους τόκαμακ, οι φυσικοί έχουν στραφεί στην τεχνητή νοημοσύνη. Παλιότερα, η προετοιμασία για ένα πείραμα χρειαζόταν πάνω από έναν μήνα, αλλά λογισμικό μηχανικής μάθησης που έχει τροφοδοτηθεί με τεράστιες ποσότητες δεδομένων από προηγούμενα πειράματα, μπορεί να μειώσει το χρόνο αυτό σε λίγες ώρες. Στον ITER, η ΤΝ μπορεί να μοντελοποιήσει τις συνέπειες μικρών κυματισμών μέσα στο πλάσμα, 10 εκατομμύρια φορές πιο γρήγορα! Ολες αυτές οι εξελίξεις έχουν δημιουργήσει και πάλι μια αίσθηση αισιοδοξίας, σε έναν τομέα επιστημονικής έρευνας, που όμως συνηθίζει διαχρονικά να προσφέρει σκοτσέζικα ντους σε όποιους προσβλέπουν σ' αυτόν. Ισως αυτήν τη φορά να είναι διαφορετικά.

Σχέδιο αναπαράστασης του αντιδραστήρα ITER, τύπου τόκαμακ σε λειτουργία, μαζί με ένα μικρό μέρος των συστημάτων υποστήριξής του

Από τις εργασίες κατασκευής του θόλου του αντιδραστήρα ITER, ακριβώς δίπλα από το κτίριο συναρμολόγησης, πάνω στο οποίο είχε αναρτηθεί πανό με σχέδιο του αντιδραστήρα, στη μορφή που θα έχει κατά την ολοκλήρωσή του

Το κατώτερο τμήμα του αντιδραστήρα ITER, τοποθετείται στο βυθό του θόλου του αντιδραστήρα. Σε μια εσοχή στο πάνω μέρος φαίνονται μερικοί άνθρωποι, αναδεικνύοντας το μέγεθος του αντιδραστήρα

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγές: «New Scientist», www.iter.org