Η ανακάλυψη της πυρηνικής σύντηξης πυροδοτεί νέα ελπίδα για καθαρή ενέργεια.. Οι ερευνητές εργάζονται τώρα ενεργά για τη βελτίωση της τεχνολογίας λέιζερ και του σχεδιασμού αντιδραστήρων για τη δημιουργία σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με βάση τη σύντηξη
Οι ερευνητές στις ΗΠΑ επιτέλους εκπλήρωσαν έναν στόχο που είχε τεθεί πριν από δεκαετίες: την επίτευξη της «ανάφλεξης» – λήψη περισσότερης ενέργειας από όση καταναλώνετε – χρησιμοποιώντας πυρηνική σύντηξη.
Οι επιστήμονες στο National Ignition Facility (NIF) του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore , όπου πραγματοποιήθηκε το πείραμα, είναι αναμφίβολα συγκινημένοι και ανακουφισμένοι που επιτέλους εκπλήρωσαν την υπόσχεση που υπονοείται από το όνομα της εγκατάστασής τους.
Αλλά πόσο ενθουσιασμένοι πρέπει να είμαστε οι υπόλοιποι; Τι σημαίνει πραγματικά αυτό για τη δυνατότητα δημιουργίας αποτελεσματικών απεριόριστων ποσοτήτων καθαρής ενέργειας, και τι άλλο πρέπει να συμβεί για να επιτευχθεί αυτό;
Ενώ οι αντιδράσεις σύντηξης απελευθέρωσαν περισσότερη ενέργεια που εισήχθη στον στόχο, αυτό δεν λαμβάνει υπόψη τις πολύ μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας που απαιτούνται για την πυροδότηση του λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε για την οδήγηση του πειράματος.
Επίσης, η έκρηξη ενέργειας δεν είχε τη μορφή ηλεκτρισμού, αλλά έναν παλμό ενεργητικών σωματιδίων. Η αξιοποίηση αυτών των σωματιδίων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας – και η διαρκής λειτουργία ενός αντιδραστήρα σύντηξης – θα συνεπάγεται την υπέρβαση πολλών εμποδίων.
Ωστόσο, η ανάφλεξη είναι ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα που υπόσχεται να τονώσει το ενδιαφέρον, και πιθανώς επίσης να αξιοποιήσει κεφάλαια για την αντιμετώπιση αυτών των περαιτέρω προκλήσεων.
Το πείραμα: πώς λειτούργησε και τι πέτυχε
Ας ρίξουμε μια ματιά στις λεπτομέρειες του ακριβώς έχει επιτευχθεί. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ υψηλής ισχύος για να εκτοξεύσουν 2,05 εκατομμύρια τζάουλ ενέργειας σε έναν μικροσκοπικό στόχο που περιέχει καύσιμο σύντηξης. Αυτό ανάγκασε ελαφρούς ατομικούς πυρήνες στο καύσιμο μαζί για να δημιουργήσουν βαρύτερους πυρήνες – απελευθερώνοντας 3,15 εκατομμύρια τζάουλ ενέργειας στη διαδικασία.
Αυτό αντιστοιχεί σε κέρδος περίπου 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Ήταν μια έκρηξη ενέργειας τόσο έντονη που, για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, το καύσιμο σύντηξης παρήγαγε δέκα χιλιάδες φορές περισσότερη ισχύ από τη συνδυασμένη παραγωγή κάθε σταθμού παραγωγής ενέργειας στη Γη.
Αυτή είναι μεγάλη επιστήμη. Το NIF περιλαμβάνει όχι μία αλλά 192 μεμονωμένες ακτίνες λέιζερ, οι οποίες αναπηδούν εμπρός και πίσω σε απόσταση μεγαλύτερη από ένα χιλιόμετρο πριν φτάσουν στον στόχο. Το κτίριο που στεγάζει όλη αυτή την τεχνολογία είναι δέκα ορόφους και το μέγεθος τριών γηπέδων αμερικανικού ποδοσφαίρου τοποθετημένα δίπλα-δίπλα.
Η έρευνα για τη σύντηξη εμπίπτει σε δύο κύρια σκέλη. Η μαγνητική σύντηξη περιορισμού περιλαμβάνει την αιώρηση καυσίμου σύντηξης με τη μορφή πλάσματος (φορτισμένο αέριο) χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο μαγνητικό πεδίο.
Η σύντηξη που βασίζεται σε λέιζερ – το είδος που εξερευνάται στο NIF – περιλαμβάνει την έκρηξη μικροσκοπικών καψουλών καυσίμου σύντηξης σε απίστευτα υψηλές πυκνότητες, οπότε η καύση θα προχωρήσει τόσο γρήγορα που μπορεί να απελευθερωθεί σημαντική ενέργεια πριν το καύσιμο έχει την ευκαιρία να διασπαστεί.
Και στις δύο περιπτώσεις, το καύσιμο πρέπει να ανέβει σε θερμοκρασίες δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου για να αρχίσει να καίγεται. Είναι αυτή η απαίτηση, περισσότερο από κάθε άλλη, που κάνει τη σύντηξη τόσο δύσκολη να επιτευχθεί.
Η σύντηξη με λέιζερ εξακολουθεί να δημιουργεί μεγάλες προκλήσεις
Η σύντηξη λέιζερ είναι μια παλμική τεχνολογία και ένα τεράστιο εμπόδιο είναι ο λεγόμενος ρυθμός επανάληψης λέιζερ. Η ενέργεια απελευθερώνεται σε έντονες εκρήξεις που διαρκούν πολύ λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, οι οποίες πρέπει να επαναλαμβάνονται μερικές φορές κάθε δευτερόλεπτο για να παραχθεί μια μέση ισχύς συγκρίσιμη με τους σύγχρονους σταθμούς παραγωγής ενέργειας που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα.
Το λέιζερ NIF με αυτά τα πρότυπα είναι πολύ αργό. Μπορεί να πυροδοτηθεί μόνο δύο φορές την ημέρα. Αλλά ο στόχος της NIF ήταν να αποδείξει ότι η ανάφλεξη είναι δυνατή με μία βολή, όχι για να μιμηθεί τις απαιτήσεις ενός πραγματικού σταθμού παραγωγής ενέργειας.
Ένας άλλος λόγος που η ανάφλεξη κράτησε τόσο πολύ είναι ότι δεν είναι η μοναδική αποστολή της NIF – υποστηρίζει επίσης το πρόγραμμα πυρηνικών όπλων των ΗΠΑ.
Η φυσική της σύντηξης με λέιζερ είναι τόσο περίπλοκη και πολύπλευρη που οι προσομοιώσεις της σε υπολογιστή απαιτούν συχνά περισσότερο χρόνο από τα πραγματικά πειράματα. Νωρίς, οι μοντελιστές μάθαιναν συχνότερα από τα πειράματα αντί να έλεγαν στους πειραματιστές τι να κάνουν στη συνέχεια.
Η αυξανόμενη εγγύτητα μεταξύ της πρόβλεψης του μοντέλου και του πειραματικού αποτελέσματος στήριξε την πρόσφατη επιτυχία στο NIF και προοιωνίζεται για μελλοντικές βελτιώσεις στο σχεδιασμό του στόχου.
Τους επόμενους μήνες, οι μοντελιστές και οι πειραματιστές θα πρέπει να δείξουν ότι το αποτέλεσμα μπορεί να αναπαραχθεί – να επιτευχθεί ξανά. Αυτό είναι κάτι που έχει αποδειχτεί δύσκολο στο παρελθόν.
Υπάρχουν επίσης πολλές άλλες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Σημαντική δουλειά έχει γίνει στο σχεδιασμό και την κατασκευή λέιζερ που μπορούν να εκτοξεύσουν παλμούς υψηλής ενέργειας πολλές φορές το δευτερόλεπτο.
Ένας άλλος σημαντικός περιορισμός είναι ότι το λέιζερ NIF απαιτεί 300 εκατομμύρια τζάουλ ηλεκτρικής εισόδου για την παροχή δύο εκατομμυρίων τζάουλ εξόδου φωτός λέιζερ – λιγότερο από 1% απόδοση. Επομένως, ο στόχος θα έπρεπε να παράγει ένα αδύνατον μεγάλο κέρδος προκειμένου να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι χρειαζόταν για την τροφοδοσία του λέιζερ που χρησιμοποιείται σε αυτήν την περίπτωση.
Ωστόσο, το λέιζερ NIF βασίζεται σε τεχνολογίες που χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1980. Χρησιμοποιεί λάμπες φλας και ενισχυτές κατασκευασμένους από γυάλινες πλάκες εμποτισμένες με το στοιχείο σπάνιων γαιών νεοδύμιο.
Τα σύγχρονα λέιζερ υψηλής ισχύος που χρησιμοποιούν τεχνολογία ημιαγωγών μπορούν να κάνουν πολύ καλύτερα, φτάνοντας περίπου το 20% απόδοση. Δεδομένου ότι οι στόχοι σύντηξης που οδηγούνται από λέιζερ αναμένεται να είναι σε θέση να παράγουν κέρδη άνω των 100 όταν λειτουργούν βέλτιστα, η χρήση σύγχρονων λέιζερ θα παράγει σημαντική καθαρή παραγωγή ενέργειας.
Η κατασκευή ενός αντιδραστήρα που λειτουργεί είναι ακόμα μακριά
Μια άλλη πρόκληση για τη σύντηξη με λέιζερ είναι η μείωση του κόστους των στόχων. Το ανθρώπινο δυναμικό που εμπλέκεται στη δημιουργία των στόχων NIF σημαίνει ότι ο καθένας κοστίζει όσο ένα ολοκαίνουργιο αυτοκίνητο.
Απαιτείται ένας νέος στόχος κάθε φορά που εκτοξεύεται το λέιζερ. Για την πραγματική παραγωγή ενέργειας, αυτό θα σήμαινε μια νέα αρκετές φορές το δευτερόλεπτο. Οι στόχοι που χρησιμοποιούνται στο NIF βασίζονται επίσης σε μια τεχνική γνωστή ως «έμμεση κίνηση» στην οποία ο στόχος μετατρέπει πρώτα την ενέργεια λέιζερ σε ακτίνες Χ που στη συνέχεια ανατινάζουν την κάψουλα καυσίμου σύντηξης μέσα στο στόχο. Αυτό προσθέτει τόσο πολυπλοκότητα όσο και κόστος.
Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ο δρόμος προς τα εμπρός για την ενέργεια σύντηξης που οδηγείται από λέιζερ θα περιλαμβάνει την ανάφλεξη «απευθείας μετάδοσης κίνησης» . Εδώ, το λέιζερ φωτίζει απευθείας μια απλή, σφαιρική κάψουλα καυσίμου. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση στην ανάφλεξη δεν έχει ακόμη αποδειχθεί.
Το καύσιμο του NIF (δευτέριο και τρίτιο) εκπέμπει μεγάλο μέρος της ενέργειάς του με τη μορφή νετρονίων υψηλής ενέργειας (σωματίδια που συνθέτουν τον ατομικό πυρήνα μαζί με πρωτόνια). Τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με τα υλικά στο δοχείο του αντιδραστήρα, αλλάζοντας τη σύνθεση και τη μικροσκοπική τους δομή.
Αυτό θα μπορούσε να δημιουργήσει σοβαρές προκλήσεις για τα οπτικά εξαρτήματα που πρέπει να μεταδίδουν ή να αντανακλούν αποτελεσματικά το φως λέιζερ. Μερικοί επιστήμονες εξετάζουν το ενδεχόμενο να οδηγήσουν παρόμοια φυσική με εναλλακτικά μέσα , ίσως χρησιμοποιώντας απευθείας παλμική ηλεκτρική ενέργεια ή εστιασμένες δέσμες ιόντων (φορτισμένα άτομα).
Η έρευνα για τη σύντηξη μαγνητικού περιορισμού οδηγεί τον δρόμο σε πολλούς τομείς που σχετίζονται με την κατασκευή ενός αντιδραστήρα ισχύος. Χρειάστηκε να αντιμετωπίσει πολλά από τα ίδια προβλήματα προκειμένου να σχεδιάσει και να κατασκευάσει την εγκατάσταση ITER , η οποία στοχεύει επίσης να παράγει κέρδη και πλησιάζει στην ολοκλήρωσή της στη νότια Γαλλία. Επιστήμονες και μηχανικοί από τα δύο σκέλη της έρευνας συνεργάζονται σε θέματα που σχετίζονται με την κατασκευή αντιδραστήρων που είναι κοινά και στα δύο πεδία.
Η Fusion Power, για δεκαετίες, φαινόταν να είναι ένα έπαθλο που παραμένει για πάντα απρόσιτο. Αν και εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις, καθώς οι ερευνητές εργάζονται τώρα ενεργά για τη βελτίωση της τεχνολογίας λέιζερ και του σχεδιασμού των αντιδραστήρων, οι ανακαλύψεις θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε περαιτέρω πρόοδο προς τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που βασίζονται στην πυρηνική σύντηξη.
Ορισμένοι ερευνητές που εργάζονται για τη σύντηξη διαισθάνονται τώρα ότι μπορεί να δουν τη σύντηξη να παρέχει ενέργεια στο δίκτυο κατά τη διάρκεια της ζωής τους.
πηγή – asiatimes.com
