Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν αυτό που ονόμασαν μια σημαντική ανακάλυψη σε έναν μακροπρόθεσμο άπιαστο στόχο της δημιουργίας ενέργειας από πυρηνική σύντηξη.
Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ δήλωσε στις 13 Δεκεμβρίου 2022 ότι για πρώτη φορά —και μετά από αρκετές δεκαετίες προσπαθειών— οι επιστήμονες κατάφεραν να πάρουν περισσότερη ενέργεια από τη διαδικασία από αυτή που έπρεπε να καταβάλουν.
Αλλά πόσο σημαντική είναι η εξέλιξη; Και πόσο μακριά είναι το πολυπόθητο όνειρο της σύντηξης που παρέχει άφθονη, καθαρή ενέργεια; Carolyn Kuranz, αναπληρωτής καθηγητής πυρηνικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που εργάστηκε στις εγκαταστάσεις που μόλις έσπασε το ρεκόρ σύντηξης, βοηθά στην εξήγηση αυτού του νέου αποτελέσματος.
Τι συνέβη στον θάλαμο σύντηξης;
συγχώνευση είναι μια πυρηνική αντίδραση που συνδυάζει δύο άτομα για να δημιουργήσει ένα ή περισσότερα νέα άτομα με ελαφρώς μικρότερη συνολική μάζα. Η διαφορά μάζας απελευθερώνεται ως ενέργεια, όπως περιγράφεται από τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν, E = mc2 , όπου η ενέργεια ισούται με μάζα επί την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός είναι τεράστια, η μετατροπή μιας μικροσκοπικής ποσότητας μάζας σε ενέργεια -όπως αυτό που συμβαίνει στη σύντηξη- παράγει μια παρόμοια τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Ερευνητές στην κυβέρνηση των ΗΠΑ Εθνική εγκατάσταση ανάφλεξης στην Καλιφόρνια έχουν δείξει, για πρώτη φορά, αυτό που είναι γνωστό ως «ανάφλεξη σύντηξης». Η ανάφλεξη είναι όταν μια αντίδραση σύντηξης παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι δίνεται στην αντίδραση από μια εξωτερική πηγή και γίνεται αυτοσυντηρούμενη.
Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στο National Ignition Facility περιελάμβανε πυροβολισμούς 192 λέιζερ σε ένα Πέλλετ καυσίμου 0.04 ιντσών (1 mm). κατασκευασμένο από δευτέριο και τρίτιο -δύο εκδοχές του στοιχείου υδρογόνο με επιπλέον νετρόνια- τοποθετημένα σε χρυσό κάνιστρο. Όταν τα λέιζερ χτυπούν το κάνιστρο, παράγουν ακτίνες Χ που θερμαίνουν και συμπιέζουν το σφαιρίδιο του καυσίμου σε περίπου 20 φορές την πυκνότητα του μολύβδου και σε περισσότερους από 5 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ (3 εκατομμύρια Κελσίου) - περίπου 100 φορές θερμότερο από την επιφάνεια του ήλιος. Εάν μπορείτε να διατηρήσετε αυτές τις συνθήκες για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, το το καύσιμο θα λιώσει και θα απελευθερώσει ενέργεια.
Το καύσιμο και το κάνιστρο εξατμίζονται μέσα σε λίγα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια του πειράματος. Οι ερευνητές στη συνέχεια ελπίζουν ότι ο εξοπλισμός τους επέζησε από τη θερμότητα και μέτρησε με ακρίβεια την ενέργεια που απελευθερώνεται από την αντίδραση σύντηξης.
Τι κατάφεραν λοιπόν;
Για να αξιολογήσουν την επιτυχία ενός πειράματος σύντηξης, οι φυσικοί εξετάζουν την αναλογία μεταξύ της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη διαδικασία σύντηξης και της ποσότητας ενέργειας μέσα στα λέιζερ. Αυτή η αναλογία είναι που ονομάζεται κέρδος.
Οτιδήποτε μεγαλύτερο από ένα κέρδος σημαίνει ότι η διαδικασία σύντηξης απελευθέρωσε περισσότερη ενέργεια από τα λέιζερ που παραδίδονται.
Στις 5 Δεκεμβρίου 2022, η Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης εκτόξευσε ένα πέλλετ καυσίμου με δύο εκατομμύρια τζάουλ ενέργειας λέιζερ -περίπου την ποσότητα ενέργειας που χρειάζεται για να λειτουργήσει ένα πιστολάκι μαλλιών για 15 λεπτά- όλα περιέχονται μέσα σε λίγα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Αυτό προκάλεσε μια αντίδραση σύντηξης που κυκλοφόρησε τρία εκατομμύρια joules. Αυτό είναι ένα κέρδος περίπου 1.5, καταρρίπτοντας το προηγούμενο ρεκόρ κέρδους του 0.7 που επιτεύχθηκε από την εγκατάσταση τον Αύγουστο του 2021.
Πόσο μεγάλο είναι αυτό το αποτέλεσμα;
Ενέργεια σύντηξης υπήρξε το «ιερό δισκοπότηρο» της παραγωγής ενέργειας για σχεδόν μισό αιώνα. Αν και ένα κέρδος 1.5 είναι, πιστεύω, μια πραγματικά ιστορική επιστημονική ανακάλυψη, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να γίνει η σύντηξη μια βιώσιμη πηγή ενέργειας.
Ενώ η ενέργεια λέιζερ των 2 εκατομμυρίων joules ήταν μικρότερη από την απόδοση σύντηξης των 3 εκατομμυρίων joules, χρειάστηκε η εγκατάσταση σχεδόν 300 εκατομμύρια joules για την παραγωγή των λέιζερ χρησιμοποιείται σε αυτό το πείραμα. Αυτό το αποτέλεσμα έδειξε ότι είναι δυνατή η ανάφλεξη με σύντηξη, αλλά θα χρειαστεί πολλή δουλειά για να βελτιωθεί η απόδοση σε σημείο που η σύντηξη μπορεί να προσφέρει καθαρή θετική επιστροφή ενέργειας λαμβάνοντας υπόψη ολόκληρο το σύστημα από άκρο σε άκρο, όχι μόνο ένα ενιαία αλληλεπίδραση μεταξύ των λέιζερ και του καυσίμου.
Τι χρειάζεται να βελτιωθεί;
Υπάρχουν πολλά κομμάτια του παζλ της σύντηξης που οι επιστήμονες βελτιώνουν σταθερά εδώ και δεκαετίες για να παράγουν αυτό το αποτέλεσμα και περαιτέρω εργασία μπορεί να κάνει αυτή τη διαδικασία πιο αποτελεσματική.
Πρώτον, τα λέιζερ ήταν μόνο εφευρέθηκε το 1960. Όταν η κυβέρνηση των Η.Π.Α ολοκλήρωσε την κατασκευή της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης το 2009, ήταν η πιο ισχυρή εγκατάσταση λέιζερ στον κόσμο, ικανή να προσφέρει ένα εκατομμύριο τζάουλ ενέργειας σε έναν στόχο. Τα δύο εκατομμύρια τζάουλ που παράγει σήμερα είναι 50 φορές πιο ενεργητικά από τα επόμενο πιο ισχυρό λέιζερ στη Γη. Πιο ισχυρά λέιζερ και λιγότερο ενεργοβόροι τρόποι παραγωγής αυτών των ισχυρών λέιζερ θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά τη συνολική απόδοση του συστήματος.
Οι συνθήκες σύντηξης είναι πολύ δύσκολο να διατηρηθεί, και οποιεσδήποτε μικρή ατέλεια στην κάψουλα ή το καύσιμο μπορεί να αυξήσει τις ενεργειακές απαιτήσεις και να μειώσει την απόδοση. Οι επιστήμονες έχουν κάνει μεγάλη πρόοδο σε πιο αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας από το λέιζερ στο κάνιστρο και την Ακτινοβολία ακτίνων Χ από το κάνιστρο στην κάψουλα καυσίμου, αλλά προς το παρόν μόνο περίπου 10 να 30 τοις εκατό της συνολικής ενέργειας λέιζερ μεταφέρεται στο κάνιστρο και στο καύσιμο.
Τέλος, ενώ ένα μέρος του καυσίμου, το δευτέριο, είναι φυσικά άφθονο στο θαλασσινό νερό, το τρίτιο είναι πολύ πιο σπάνιο. Η ίδια η σύντηξη παράγει πραγματικά τρίτιο, έτσι οι ερευνητές ελπίζουν να αναπτύξουν τρόπους άμεσης συλλογής αυτού του τριτίου. Στο μεταξύ, υπάρχουν άλλες διαθέσιμες μεθόδους για την παραγωγή του απαραίτητου καυσίμου.
Αυτά και άλλα επιστημονικά, τεχνολογικά και μηχανικά εμπόδια θα πρέπει να ξεπεραστούν προτού η σύντηξη παράγει ηλεκτρισμό για το σπίτι σας. Θα πρέπει επίσης να γίνουν εργασίες για να μειωθεί αρκετά το κόστος ενός σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη 3.5 δισεκατομμύρια δολάρια της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης. Αυτά τα βήματα θα απαιτήσουν σημαντικές επενδύσεις τόσο από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση όσο και από τον ιδιωτικό κλάδο.
Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχει ένας παγκόσμιος αγώνας γύρω από τη σύντηξη, με πολλά άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο ακολουθώντας διαφορετικές τεχνικές. Αλλά με το νέο αποτέλεσμα από την Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης, ο κόσμος είδε, για πρώτη φορά, αποδείξεις ότι το όνειρο της σύντηξης είναι εφικτό.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Image Credit: Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ/Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore
