Ίθαν Σίγκελ, Εξήγηση για την πυρηνική σύντηξη. Ethan Siegel, Nuclear fusion explained

Γιατί η ενέργεια που παράγεται μέσω πυρηνικής σύντηξης θα είναι η μελλοντική, αλλά όχι η παρούσα, λύση για τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας. Το εσωτερικό ενός θαλάμου σύντηξης Tokamak υπό εκτέλεση εργασιών κατά την περίοδο συντήρησής του το 2017. Εφόσον το πλάσμα μπορεί να περιοριστεί μαγνητικά και να ελεγχθεί μέσα σε μια συσκευή όπως αυτή, μπορεί να παραχθεί ενέργεια σύντηξης, αλλά η διατήρηση του περιορισμού του πλάσματος μακροπρόθεσμα είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο. Το σημείο ισορροπίας δεν έχει ακόμη επιτευχθεί για τη σύντηξη με μαγνητικό περιορισμό και δεν αναμένεται να επιτευχθεί μέχρι να τεθεί σε πλήρη λειτουργία ο ITER. Why power generated through nuclear fusion will be the future, but not the present, solution to humanity’s energy needs. The inside of a Tokamak fusion chamber being worked on during its maintenance period in 2017. So long as a plasma can be magnetically confined and controlled inside a device like this, fusion power can be produced, but maintaining plasma confinement over the long-term is an exceedingly difficult task. The breakeven point has not yet been achieved for magnetic confinement fusion, and is not expected to be until ITER is fully operational. Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

Όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας και ισχύος, η φυσική μας δίνει πολλές επιλογές. Με απλή μηχανική, η ενέργεια της κίνησης ενός αντικειμένου τίθεται σε λειτουργία: χρησιμοποιώντας βάρη υπό την επίδραση της βαρύτητας, ρέον νερό ή κινούμενο αέρα για να περιστραφεί ένας τροχός ή μια τουρμπίνα. Αυτή η κίνηση χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή άλλων μορφών ενέργειας. Υπάρχουν επίσης χημικές αντιδράσεις, που εξαρτώνται από τις μεταβάσεις ηλεκτρονίων στον τρόπο με τον οποίο τα άτομα και τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους: όπου κάποιο είδος καυσίμου μεταβολίζεται ή καίγεται για να παράγει ενέργεια, και αυτή η ενέργεια στη συνέχεια αξιοποιείται και τίθεται σε λειτουργία με παρόμοιο τρόπο. Και τέλος, υπάρχουν οι πυρηνικές αντιδράσεις, όπου οι δεσμοί μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα είτε διασπώνται είτε σφυρηλατούνται για να απελευθερώσουν ενέργεια, και στη συνέχεια αυτή η ενέργεια τίθεται σε λειτουργία.

Ενώ η μηχανική εργασία εκμεταλλεύεται ελεύθερα τους ήδη υπάρχοντες περιβαλλοντικούς πόρους, όπως η υδροηλεκτρική και η αιολική ενέργεια, έχει επίσης ζητήματα αξιοπιστίας και επεκτασιμότητας, καθώς και τις δικές της περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι χημικές αντιδράσεις αξιοποιούνται από όλες τις μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένης της φωτοσύνθεσης στα φυτά και των μεταβολικών οδών στα ζώα, αλλά ως πηγή καυσίμου, οι αντιδράσεις καύσης είναι ένας πεπερασμένος, περιορισμένος πόρος με σημαντικές συνέπειες για τη ρύπανση.

Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια είναι μοναδική. Είναι κυριολεκτικά εκατοντάδες χιλιάδες έως εκατομμύρια φορές πιο αποτελεσματική, όσον αφορά το κλάσμα της μάζας που μετατρέπεται σε ενέργεια, από όλες τις χημικές αντιδράσεις. Να τι είναι η πυρηνική σύντηξη και γιατί αποτελεί το μέλλον — αλλά όχι το παρόν — της παραγωγής ενέργειας εδώ στη Γη.

Αυτό το γράφημα δείχνει την ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ως συνάρτηση του τύπου του στοιχείου που εξετάζουμε. Η κορυφή, η οποία αντιστοιχεί στα πιο σταθερά στοιχεία, βρίσκεται ακριβώς γύρω από στοιχεία όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Στοιχεία ελαφρύτερα από αυτό απελευθερώνουν ενέργεια όταν συντήκονται μεταξύ τους, ενώ στοιχεία βαρύτερα από αυτό απελευθερώνουν ενέργεια όταν διασπώνται σε μια αντίδραση σχάσης. This graph shows the binding energy-per-nucleon as a function of the type of element we’re looking at. The peak, which corresponds to the most stable elements, is right around elements like iron, cobalt, and nickel. Elements lighter than that release energy when they are fused together; elements heavier than that release energy when they are split apart in a fission reaction. (Credit: Fastfission/Wikimedia Commons)

Είναι μια παράξενη ιδέα να σκεφτεί κανείς: ότι ένα μικροσκοπικό δομικό στοιχείο της ύλης, ο ατομικός πυρήνας, έχει τη μεγαλύτερη δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας. Κι όμως, είναι αλήθεια. Ενώ οι μεταβάσεις ηλεκτρονίων σε άτομα ή μόρια συνήθως απελευθερώνουν ενέργεια της τάξης του ~1 ηλεκτρονίου-βολτ, οι πυρηνικές μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών διαμορφώσεων απελευθερώνουν ενέργεια ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη, της τάξης του ~1 μεγαηλεκτρονίου-βολτ. Γενικά, υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους μπορείτε να απελευθερώσετε ενέργεια μέσω μιας πυρηνικής αντίδρασης:

• με τη διάσπαση βαρέων πυρήνων σε αντιδράσεις σχάσης,
• ή με σύντηξη ελαφρών πυρήνων σε αντιδράσεις σύντηξης.

Και οι δύο τύποι πυρηνικών αντιδράσεων, η σχάση και η σύντηξη, μπορούν να απελευθερώσουν ενέργεια, καθώς τα πιο σταθερά στοιχεία βρίσκονται γύρω από τα στοιχεία 26 έως 28 (σίδηρος-κοβάλτιο-νικέλιο) στον περιοδικό πίνακα. Τα ελαφρύτερα στοιχεία απελευθερώνουν ενέργεια μέσω σύντηξης, ενώ τα βαρύτερα στοιχεία την απελευθερώνουν μέσω σχάσης.

Αν και η πυρηνική σχάση και η σύντηξη συνδέονται και οι δύο με τις ατομικές βόμβες, καθώς και οι δύο μπορούν να υποστούν ανεξέλεγκτες αντιδράσεις που συνεχίζουν να απελευθερώνουν ενέργεια όσο οι αντιδράσεις μπορούν να συνεχιστούν, και οι δύο έχουν και άλλες εφαρμογές.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει την αλυσιδωτή αντίδραση που μπορεί να προκύψει όταν ένα εμπλουτισμένο δείγμα U-235 βομβαρδίζεται με ένα ελεύθερο νετρόνιο. Μόλις σχηματιστεί το U-236, διασπάται γρήγορα, απελευθερώνοντας ενέργεια και παράγοντας τρία επιπλέον ελεύθερα νετρόνια. Εάν αυτή η αντίδραση σταματήσει, θα έχουμε μια βόμβα. Εάν αυτή η αντίδραση μπορεί να ελεγχθεί, μπορούμε να κατασκευάσουμε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. This diagram shows the chain reaction that can ensue when an enriched sample of U-235 is bombarded with a free neutron. Once U-236 is formed, it quickly splits apart, releasing energy and producing three additional free neutrons. If this reaction runs away, we get a bomb; if this reaction can be controlled, we can build a nuclear reactor. (Credit: Fastfission/Wikimedia Commons)

Η πυρηνική σχάση συνήθως βασίζεται στην απορρόφηση ενός σωματιδίου, όπως ένα νετρόνιο, από έναν ασταθή πυρήνα. Όταν ο σωστός πυρήνας απορροφήσει ένα νετρόνιο, όπως το Ουράνιο-235, για παράδειγμα, θα διασπαστεί, απελευθερώνοντας ακόμη περισσότερα νετρόνια, επιτρέποντας την πραγματοποίηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Εάν ο ρυθμός αντίδρασης είναι ανεξέλεγκτος, θα έχετε μια βόμβα. Ωστόσο, εάν ο ρυθμός αντίδρασης μπορεί να ελεγχθεί απορροφώντας νετρόνια και δημιουργώντας συνθήκες που περιορίζουν την ταχύτητά τους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας. Αυτή είναι η βάση για τον τρόπο λειτουργίας όλων των σημερινών πυρηνικών αντιδραστήρων (σχάσης).

Η σύντηξη, από την άλλη πλευρά, προσφέρει τη δυνατότητα απελευθέρωσης ακόμη περισσότερης ενέργειας από τη σχάση. Εμφανίζεται σε όλα τα αστέρια με θερμοκρασίες πυρήνα που υπερβαίνουν τα ~4 εκατομμύρια K και είναι η κύρια αντίδραση που τροφοδοτεί τον Ήλιο μας. Όταν δημιουργείτε μια βόμβα σύντηξης, η ενεργειακή της απόδοση είναι πολύ μεγαλύτερη από οποιαδήποτε βόμβα σχάσης. Η πρώτη μετριέται συνήθως σε μεγατόνους, ενώ η δεύτερη μετριέται μόνο σε κιλοτόνους.

Κατ' αρχήν, αν μπορούμε να ελέγξουμε μια πυρηνική αντίδραση σύντηξης με την ίδια αποτελεσματικότητα που μπορούμε σήμερα να ελέγξουμε τις αντιδράσεις σχάσης, εξάγοντας ενέργεια με όποιους ρυθμούς επιλέξουμε, αυτή θα αντικαταστήσει όλες τις άλλες μορφές παραγωγής ενέργειας ως η κυρίαρχη πηγή ενέργειας στον πλανήτη Γη.

Πειραματικός πυρηνικός αντιδραστήρας RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha. Η μπλε λάμψη είναι γνωστή ως ακτινοβολία Cherenkov, από τα σωματίδια που εκπέμπονται στο νερό με ταχύτητα μεγαλύτερη από το φως. Η πυρηνική σχάση, παρά τα οφέλη της, δεν έχει αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα για τις παγκόσμιες ενεργειακές μας ανάγκες, κυρίως για μη πραγματικούς φόβους. Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha. The blue glow is known as Cherenkov radiation, from the faster-than-light-in-water particles emitted. Nuclear fission, despite its benefits, has not replaced fossil fuels for our global energy needs, largely for non-factual fears. (Credit: Centro Atomico Bariloche/Pieck Dario)

Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν τρεις κύριες ανησυχίες όσον αφορά τις πηγές ενέργειας και ισχύος που εξετάζουμε.

1. Διαθεσιμότητα. Θέλουμε αυτή η ενέργεια να είναι διαθέσιμη κατόπιν ζήτησης. Όταν χρειαζόμαστε περισσότερη, θέλουμε να είναι προσβάσιμη. Όταν χρειαζόμαστε λιγότερη, δεν θέλουμε να κάνουμε σπατάλη. Αν ελέγχουμε τη διαθεσιμότητα, όπως κάνουμε με τα ορυκτά καύσιμα ή τα υδροηλεκτρικά φράγματα με αξιόπιστα σταθερή ροή νερού, έχουμε μεγαλύτερη ευελιξία από ό,τι αν βασιζόμαστε εξ ολοκλήρου σε ιδιότροπους πόρους όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια.
2. Πανταχού παρούσα. Για τους σκοπούς μας στη Γη, η αιολική και η ηλιακή ενέργεια είναι πανταχού παρούσες. Οι άνεμοι και ο Ήλιος θα υπάρχουν πάντα. Τα ορυκτά καύσιμα, ωστόσο, δεν θα υπάρχουν. Υπάρχει μια πεπερασμένη ποσότητα άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου στη Γη. Η πυρηνική σχάση είναι επίσης ένας πεπερασμένος πόρος, αν και πιο άφθονος από τα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, οι ανάγκες εξόρυξης και επεξεργασίας ουρανίου και άλλων σχάσιμων στοιχείων σημαίνουν ότι όσο περισσότερο χρησιμοποιούμε, τόσο πιο δύσκολο θα είναι να βρεθούν νέες, παρθένες πηγές.
3. Βιωσιμότητα. Όταν καίμε ορυκτά καύσιμα, απελευθερώνουμε στην ατμόσφαιρα ρύπους που επηρεάζουν τον πλανήτη. Όταν παράγουμε αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης, παράγουμε ραδιενεργά υποπροϊόντα, μερικά από τα οποία έχουν σύντομο χρόνο ημιζωής και άλλα που θα παραμείνουν για πολλές γενιές ανθρώπων στο μέλλον. Δεν είναι αστείο το γεγονός ότι η κατανάλωση ενέργειας, ως είδος, έχει αλλάξει σημαντικά το κλίμα στη Γη από την αυγή της βιομηχανικής επανάστασης. Ένα πρόβλημα που επιδεινώνεται με κάθε χρόνο που περνάει.

Αυτοί οι τρεις λόγοι τονίζουν γιατί η πυρηνική σύντηξη είναι το όνειρο της βιώσιμης ενέργειας. Αν μπορούμε να ελέγξουμε τον ρυθμό μιας αντίδρασης σύντηξης, μπορούμε να την αξιοποιήσουμε για να παράγουμε ενέργεια κατ' απαίτηση, ουσιαστικά χωρίς απόβλητα. Το καύσιμο, το υδρογόνο και τα ισότοπά του, είναι απίστευτα άφθονα εδώ στη Γη. Δεν υπάρχει «εξάντληση» του καυσίμου πυρηνικής σύντηξης, όχι για δισεκατομμύρια χρόνια. Και ενώ η πυρηνική σύντηξη μπορεί να παράγει μικρές ποσότητες ραδιενεργών προϊόντων όπως το τρίτιο, δεν υπάρχει ποτέ κίνδυνος κατάρρευσης του αντιδραστήρα ή μακροπρόθεσμης περιβαλλοντικής ζημίας. Σε σύγκριση ακόμη και με την ηλιακή ενέργεια, η οποία απαιτεί την εξόρυξη σπάνιων στοιχείων και τη χρήση χημικών ουσιών και σπάνιων πόρων για τη δημιουργία ηλιακών πάνελ, η πυρηνική σύντηξη είναι η πιο βιώσιμη ενεργειακή επιλογή.

Φυσικά, όλα αυτά βασίζονται σε μια υπόθεση που εμείς, ως είδος, δεν έχουμε ακόμη επιτύχει: ότι μπορούμε να φτάσουμε στο σημείο ισορροπίας όσον αφορά την πυρηνική ενέργεια σύντηξης. Το ιερό δισκοπότηρο της ενέργειας είναι να έχουμε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση πυρηνικής σύντηξης που παράγει περισσότερη αξιοποιήσιμη ενέργεια από τις αντιδράσεις της από όση απαιτείται για να εισαχθεί στο σύστημα/συσκευή για να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις σύντηξης εξαρχής.

Ο λόγος που αυτό είναι ένα τόσο δύσκολο πρόβλημα είναι διπλός. Πρώτον, δεν είναι ασήμαντο ζήτημα να δημιουργηθεί μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης. Εφόσον περιορίζεστε στην εργασία με υλικά όπως το υδρογόνο, το δευτέριο, το ήλιο-3 και άλλα σταθερά ελαφρά στοιχεία και ισότοπα, απαιτούνται τεράστιες θερμοκρασίες και ενέργειες για να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης. Ο έλεγχος και η διατήρηση αυτών των περιβαλλόντων δεν είναι εύκολη υπόθεση και απαιτεί τεράστιες ενέργειες ακόμη και στην αρχή για να δημιουργηθούν οι απαραίτητες συνθήκες για τη σύντηξη.

Και δεύτερον, δεν μπορείτε απλώς να προσεγγίσετε αυτό το θέμα με στόχο τη δημιουργία περισσότερης ενέργειας μέσω σύντηξης από όση βάζετε στο σύστημα για να ξεκινήσει η αντίδραση: αυτό είναι γνωστό ως βόμβα. Αντίθετα, αυτό που χρειάζεται να κάνετε είναι να παράγετε ενέργεια με αρκετά αργό ρυθμό ώστε να μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε για να παράγετε χρήσιμες ποσότητες ενέργειας: ενέργεια με την πάροδο του χρόνου.

Η επίτευξη του περίφημου σημείου ισορροπίας απαιτεί τόσο την παραγωγή περισσότερης ενέργειας από τις αντιδράσεις σας από όση βάζετε στο σύστημα για να ξεκινήσετε αυτές τις αντιδράσεις όσο και την εξαγωγή αυτής της ενέργειας και τη χρήση της. Μέχρι στιγμής, και τα δύο προβλήματα παραμένουν άλυτα παράλληλα, αλλά υπάρχουν τρεις κύριες προσεγγίσεις που ακολουθούν οι ερευνητές καθώς προσπαθούν να φέρουν επανάσταση στη σχέση της ανθρωπότητας με την ενέργεια.

Το πλάσμα στο κέντρο αυτού του αντιδραστήρα σύντηξης είναι τόσο ζεστό που δεν εκπέμπει φως. Μόνο το ψυχρότερο πλάσμα που βρίσκεται στα τοιχώματα είναι ορατό. Νύξεις μαγνητικής αλληλεπίδρασης μεταξύ του θερμού και του ψυχρού πλάσματος είναι ορατές. Τα μαγνητικά περιορισμένα πλάσματα έχουν πλησιάσει περισσότερο, από όλες τις προσεγγίσεις, στο να φτάσουν στο σημείο ισορροπίας. The plasma in the center of this fusion reactor is so hot it doesn’t emit light; it’s only the cooler plasma located at the walls that can be seen. Hints of magnetic interplay between the hot and cold plasmas can be seen. Magnetically confined plasmas have come the closest, of all approaches, to reaching the breakeven point. (Credit: National Fusion Research Institute, Korea)

Προσέγγιση #1: Σύντηξη με μαγνητικό περιορισμό. Το καύσιμο πυρηνικής σύντηξης, θυμηθείτε, δεν είναι απλώς άτομα, αλλά οι ατομικοί πυρήνες στους πυρήνες των ατόμων. Μια προσέγγιση στην πυρηνική σύντηξη είναι ο πλήρης ιονισμός των ατόμων, απογυμνώνοντας τα ηλεκτρόνιά τους, μέχρι να απομείνουν μόνο οι ατομικοί πυρήνες. Δημιουργώντας αυτό το υπερθερμασμένο πλάσμα ατομικών πυρήνων που μπορούν να συντηχθούν, η ιδέα είναι στη συνέχεια να έρθουν αυτοί οι πυρήνες κοντά, ξεπερνώντας την ηλεκτρικά απωστική δύναμη μεταξύ τους, για να ξεκινήσουν αντιδράσεις σύντηξης.

Η πιο επιτυχημένη προσέγγιση εδώ ήταν ο περιορισμός αυτού του υπερθερμασμένου πλάσματος χρησιμοποιώντας ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες, φέρνοντας τους ατομικούς πυρήνες κοντά μέσα σε μια κοιλότητα γνωστή ως Tokamak . Τα Tokamak έχουν ερευνηθεί εδώ και δεκαετίες και παράγουν αντιδράσεις σύντηξης μέσα σε αυτά όλο αυτό το διάστημα.

Οι βασικές δυσκολίες με αυτήν την προσέγγιση έγκεινται στη διατήρηση του πλάσματος περιορισμένου (διαφορετικά συγκρούεται με τα τοιχώματα της συσκευής) και στην εξαγωγή της ενέργειας που παράγεται από τις αντιδράσεις για τη δημιουργία αξιοποιήσιμης ενέργειας. Αν και αυτή η προσέγγιση θεωρείται εδώ και καιρό ως η πιο πολλά υποσχόμενη οδός προς την πυρηνική σύντηξη, έχει λάβει μια πενιχρή χρηματοδότηση σε σχέση με τα παροιμιώδη επίπεδα «προσγείωσης» που θα χρειαστούν για να υπάρξει μια νόμιμη πιθανότητα μακροπρόθεσμης επιτυχίας.

Στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης, πανκατευθυντικά λέιζερ υψηλής ισχύος συμπιέζουν και θερμαίνουν ένα σφαιρίδιο υλικού σε επαρκείς συνθήκες για την έναρξη της πυρηνικής σύντηξης. Μια βόμβα υδρογόνου, όπου μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης συμπιέζει το σφαιρίδιο καυσίμου, είναι μια ακόμη πιο ακραία εκδοχή αυτού, παράγοντας μεγαλύτερες θερμοκρασίες ακόμη και από το κέντρο του Ήλιου. At the National Ignition Facility, omnidirectional high-powered lasers compress and heat a pellet of material to sufficient conditions to initiate nuclear fusion. A hydrogen bomb, where a nuclear fission reaction compresses the fuel pellet instead, is an even more extreme version of this, producing greater temperatures than even the center of the Sun. (Credit: Damien Jemison/LLNL)

Προσέγγιση #2: Σύντηξη αδρανειακού περιορισμού. Αντί να ασχολείστε με τα μαγνητικά πεδία, γιατί να μην δοκιμάσετε απλώς την προσέγγιση της ωμής δύναμης; Αυτό επιχειρεί να κάνει η σύντηξη αδρανειακού περιορισμού. Λαμβάνοντας ένα σφαιρίδιο υλικού που μπορεί να συντηχθεί, μια σειρά από λέιζερ υψηλής ισχύος από όλες τις πλευρές εκτοξεύονται στο σφαιρίδιο-στόχο, αυξάνοντας γρήγορα τη θερμοκρασία και την πυκνότητά του μέχρι να ενεργοποιηθεί μια πυρηνική αντίδραση σύντηξης. Αν και απαιτεί την αποθήκευση μιας τεράστιας ποσότητας ενέργειας για τη «βολή λέιζερ» που συμπιέζει το σφαιρίδιο, είναι πιθανό η αντίδραση σύντηξης που παράγεται να απελευθερώσει ακόμη περισσότερη ενέργεια, επιτρέποντάς μας κάποια μέρα να ξεπεράσουμε το σημείο ισορροπίας.

Αυτή η προσέγγιση, όπως και αυτή της μαγνητικής σύντηξης περιορισμού, υπάρχει επίσης εδώ και δεκαετίες, παράγοντας αντιδράσεις σύντηξης συνεχώς. Παρά τις πρόσφατες εξελίξεις που μας φέρνουν πιο κοντά στον τελικό στόχο του νεκρού σημείου , τα ίδια δύο προβλήματα παραμένουν. Παρόλο που παράγουμε ολοένα και μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας μέσω αυτής της μεθόδου, απαιτεί πρώτα να αποθηκεύσουμε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας σε μια σειρά από συστοιχίες πυκνωτών και στη συνέχεια να απελευθερώσουμε αυτήν την ενέργεια μονομιάς. Δεν έχουμε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση. μόνο μια μόνο έκρηξη, και στη συνέχεια δυσκολευόμαστε να συλλέξουμε και να αξιοποιήσουμε αυτήν την παραγόμενη ενέργεια.

Παρόλο που πλησιάζουμε στον τελικό στόχο, για άλλη μια φορά βρισκόμαστε πολλές τάξεις μεγέθους μακριά από το σημείο επίτευξης του κέρδους, και επειδή η χρηματοδότηση είναι σχετικά περιορισμένη σε σχέση με τις εκατοντάδες δισεκατομμύρια δολάρια που θα έπρεπε να επενδύσουμε σε αυτήν την τεχνολογία, η πρόοδος παραμένει αργή.

Η μαγνητισμένη σύντηξη στόχων, όπως την οραματίστηκε η εταιρεία General Fusion, είναι μια προσπάθεια για μια νέα και μικρότερης κλίμακας προσέγγιση στην πυρηνική σύντηξη από ό,τι είτε η μαγνητική συγκράτηση είτε η αδρανειακή συγκράτηση σύντηξης, αλλά μετά από 11 χρόνια υποσχέσεων, παραμένει πολύ πιο μακριά από το σημείο ισορροπίας από οποιαδήποτε από τις δύο. Magnetized Target Fusion, as envisioned by the company General Fusion, is an attempt at a novel and smaller scale approach to nuclear fusion than either magnetic confinement or inertial confinement fusion, but after 11 years of promises, it remains much farther from the breakeven point than either one. (Credit: General Fusion)

Προσέγγιση #3: Προσεγγίσεις τρίτου δρόμου. Εδώ εμπλέκονται πολλές ιδιωτικές πρωτοβουλίες - μερικές νόμιμες, μερικές ύποπτες και άλλες που είναι αναμφισβήτητα τσαρλατάνοι. Υπάρχουν δύο κύριες εναλλακτικές προσεγγίσεις στις κυρίαρχες μεθόδους και οι δύο μπορούν στην πραγματικότητα να δημιουργήσουν αντιδράσεις σύντηξης. Όπως αποδεικνύεται, δεν είναι τόσο δύσκολο να ξεκινήσει η σύντηξη, αλλά είναι αξιοσημείωτα δύσκολο να φτάσουμε τόσο κοντά στο σημείο ισορροπίας όσο η αδρανειακή συγκράτηση ή η μαγνητική συγκράτηση σύντηξης. Μπορείτε είτε:

• Επιχειρήστε μαγνητισμένη σύντηξη στόχου, όπου δημιουργείται ένα υπερθερμασμένο πλάσμα και περιορίζεται μαγνητικά, αλλά στη συνέχεια τα γύρω έμβολα συμπιέζουν το καύσιμο στο εσωτερικό την κρίσιμη στιγμή. Αυτό δημιουργεί μια μικρή έκρηξη σύντηξης, όπως ένας συνδυασμός των δύο προηγούμενων προσεγγίσεων, και είναι η πιο συνηθισμένη από τις εναλλακτικές λύσεις τρίτου τρόπου.
• Ή μπορείτε να επιχειρήσετε υποκριτική σύντηξη, όπου επιχειρείτε να ενεργοποιήσετε μια αντίδραση σύντηξης με μια υποκριτική (δηλαδή, μηδενική πιθανότητα τήξης) αντίδραση σχάσης. Αυτή η προσέγγιση έχει πολλούς νέους παίκτες στον χώρο, αλλά αυτή τη στιγμή είναι η πιο απομακρυσμένη από όλες αυτές τις μεθόδους από το σημείο ισορροπίας.

Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες προσπάθειες στα περιθώρια της κυρίαρχης επιστήμης, υπάρχουν έγκυροι ερευνητές που εργάζονται πάνω στις τεχνολογίες πίσω από αυτά τα όνειρα, αλλά υπάρχουν επίσης πολλές ευσεβείς πόθοι και πολλές υποσχέσεις που είναι πολύ απίθανο να πραγματοποιηθούν. Μερικοί από τους παίκτες στο παιχνίδι ακολουθούν προσεγγίσεις παρόμοιες με τη Solyndra. Κάνουν κάποια βασική έρευνα ενώ βασίζονται σε μια απίθανη οδό προς την επιτυχία. Άλλοι μοιάζουν περισσότερο με το Theranos, όπου οι τεχνολογίες στις οποίες βασίζονται δεν υπάρχουν. Με απλά λόγια, ο χώρος της πυρηνικής σύντηξης είναι πραγματικά μια ζούγκλα εκεί έξω.

Η πιο απλή και χαμηλότερης ενέργειας εκδοχή της αλυσίδας πρωτονίου-πρωτονίου, η οποία παράγει ήλιο-4 από το αρχικό καύσιμο υδρογόνου. Σημειώστε ότι μόνο η σύντηξη δευτερίου και ενός πρωτονίου παράγει ήλιο από υδρογόνο. Όλες οι άλλες αντιδράσεις είτε παράγουν υδρογόνο είτε παράγουν ήλιο από άλλα ισότοπα ηλίου. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν στον Ήλιο και θα μπορούσαν να αναδημιουργηθούν στο εργαστήριο με επαρκείς θερμοκρασίες και πυκνότητες. The most straightforward and lowest-energy version of the proton-proton chain, which produces helium-4 from initial hydrogen fuel. Note that only the fusion of deuterium and a proton produces helium from hydrogen; all other reactions either produce hydrogen or make helium from other isotopes of helium. These reactions occur in the Sun, and could be recreated in the lab with sufficient temperatures and densities. (Credit: Sarang/Wikimedia Commons)

Μέχρι στιγμής, δυστυχώς, κανείς δεν είναι ιδιαίτερα κοντά στο σημείο ισορροπίας, και αυτό είναι το ένα ερώτημα που πρέπει πάντα να θέτετε όταν πρόκειται για τη βιωσιμότητα της τεχνολογίας πυρηνικής σύντηξης να αντικαταστήσει άλλες πηγές ενέργειας στις οποίες μπορεί να βασίζεται ο άνθρωπος.

• «Μπορείτε να παράγετε περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για να ξεκινήσει η αντίδραση;»
• «Πόση από την παραγόμενη ενέργεια μπορείτε να αξιοποιήσετε για να παράγετε αξιοποιήσιμη ενέργεια;»
• «Και πόσο κοντά βρίσκεστε, ποσοτικά, στο να φτάσετε στο σημείο ισορροπίας;»

Αυτά είναι τα ερωτήματα που πρέπει να θέτουμε κάθε φορά που μια εγκατάσταση ή εταιρεία ισχυρίζεται ότι η πυρηνική ενέργεια σύντηξης θα είναι διαθέσιμη και έτοιμη για χρήση σε λίγα μόνο χρόνια. Όπως το έθεσε αξέχαστα ο συνταξιούχος φυσικός πλάσματος Daniel Jassby στο δοκίμιό του του 2019, Voodoo Fusion Energy:

«Οι μόνιμοι οργανισμοί έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα της σύντηξης, κυρίως εργαστήρια που υποστηρίζονται από την κυβέρνηση, είναι οι σιωπηλοί θεατές της παρέλασης των γυμνών αυτοκρατόρων, αμφισβητώντας μόνο περιστασιακά τους αβάσιμους ισχυρισμούς και προβλέψεις τους. Ένα χαρακτηριστικό που τα σχέδια σύντηξης βουντού μοιράζονται με τους αντιπάλους τους που παράγουν νετρόνια είναι ότι, ενώ δεν θα βάλουν ποτέ ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο, όλα τους καταναλώνουν άφθονη ενέργεια από το δίκτυο. Η αδηφάγα κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα αναπόφευκτο χαρακτηριστικό όλων των επίγειων σχεδίων σύντηξης.»

Μία από τις τρίτες προσεγγίσεις στην πυρηνική σύντηξη, η Z-pinch, λαμβάνει ένα πλάσμα υδρογόνου και το «τσιμπάει» στο κέντρο για να δημιουργήσει αντιδράσεις σύντηξης. Αν και αυτή η αντίδραση παράγει νετρόνια, είναι πολύ πιο μακριά από το σημείο ισορροπίας από οποιονδήποτε αντιδραστήρα τύπου Tokamak. One of the third-way approaches to nuclear fusion, the Z-pinch, takes a hydrogen plasma and “pinches” it in the center to generate fusion reactions. Although this reaction does produce neutrons, it’s much farther from the breakeven point than any Tokamak-type reactor. (Credit: Sandpiper at English Wikipedia)

Όλα αυτά υπογραμμίζουν το πραγματικό πρόβλημα που έχουμε δημιουργήσει για τους εαυτούς μας, ως κοινωνία, όσον αφορά τον ενεργειακό τομέα. Η τρέχουσα κύρια μέθοδος που διαθέτουμε για την παραγωγή ενέργειας σε όλο τον κόσμο παραμένει η τεχνολογία του 18ου αιώνα, η καύση ορυκτών καυσίμων, η οποία είναι εύκολα η μεγαλύτερη αιτία της αύξησης των επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρά μας, της οξίνισης των ωκεανών και του ταχέως και καταστροφικά μεταβαλλόμενου κλίματος. Η καλύτερη τεχνολογία που διαθέτουμε σήμερα για την αντικατάσταση αυτής της αρχαίας και γεμάτης συνέπειες τεχνολογίας, της πυρηνικής σχάσης, έχει δυσφημιστεί παγκοσμίως από πολλούς λόγω του φόβου για πυρηνικά απόβλητα, ρύπανση, πόλεμο και άλλα. Παρά την επιστημονική τεκμηρίωση υπέρ της πυρηνικής σχάσης, εξακολουθεί να παράγει μόνο ένα μικρό κλάσμα της παγκόσμιας ενέργειάς μας.

Και παρά την επιτακτική ανάγκη για βασική έρευνα στον ενεργειακό τομέα και την εξαιρετικά υποχρηματοδοτούμενη υπόσχεση της πυρηνικής σύντηξης, δεν έχει υπάρξει ούτε ένας χρόνος στην ιστορία των Ηνωμένων Πολιτειών όπου να έχουμε επενδύσει έστω και 1 δισεκατομμύριο δολάρια , έστω και προσαρμοσμένα στον πληθωρισμό, για τον στόχο της πυρηνικής σύντηξης. Εκτός αν κάνουμε μια βιώσιμη επένδυση μεγάλης κλίμακας στην πραγματική, νόμιμη τεχνολογία που έχουμε ακριβώς στα χέρια μας, θα καταδικαστούμε να μας εξαπατήσουν δύο είδη τσαρλατάνων:

1. οι καλοπροαίρετοι που καταλήγουν να ξεγελούν τους εαυτούς τους ότι μπορούν να πετύχουν εκεί που οι νόμοι της φυσικής στέκονται εμπόδιο στο δρόμο τους,
2. και τα φίδια στο γρασίδι που ξέρουν ότι σου λένε ψέματα για την υπόσχεση της τεχνολογίας τους, αλλά είναι ευτυχείς να πάρουν τα χρήματά σου ούτως ή άλλως.

Εδώ, μια δέσμη πρωτονίων εκτοξεύεται σε έναν στόχο δευτερίου στο πείραμα LUNA. Ο ρυθμός πυρηνικής σύντηξης σε διάφορες θερμοκρασίες βοήθησε στην αποκάλυψη της διατομής δευτερίου-πρωτονίου, η οποία ήταν ο πιο αβέβαιος όρος στις εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό και την κατανόηση των καθαρών αφθονιών που θα προέκυπταν στο τέλος της Πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης. Η σύλληψη πρωτονίων είναι μια σημαντική πυρηνική διαδικασία, αλλά παίζει δεύτερο ρόλο μετά τη σύλληψη νετρονίων στη δημιουργία των βαρύτερων στοιχείων. Here, a proton beam is shot at a deuterium target in the LUNA experiment. The rate of nuclear fusion at various temperatures helped reveal the deuterium-proton cross-section, which was the most uncertain term in the equations used to compute and understand the net abundances that would arise at the end of Big Bang Nucleosynthesis. Proton capture is an important nuclear process, but plays second fiddle to neutron capture in the creation of the heaviest elements. (Credit: LUNA Experiment/Gran Sasso)

Όσον αφορά το Σύμπαν, δεν υπάρχει αντίδραση που να δίνει ζωή ή να συντηρεί περισσότερο από την πυρηνική σύντηξη. Βρίσκεται κυριολεκτικά στην καρδιά όχι μόνο κάθε αστέρα, αλλά και των αμέτρητων καφέ νάνων - δηλαδή, των αποτυχημένων αστεριών - που υφίστανται σύντηξη δευτερίου κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Όταν τα ελαφρά στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους, το νέο στοιχείο που παράγουν έχει ελαφρύτερη μάζα από τα αρχικά αντιδρώντα και αυτή η αντίδραση σύντηξης στη συνέχεια εκπέμπει ενέργεια ανάλογη με τη διαφορά μάζας: μέσω της εξίσωσης E = mc2 του Αϊνστάιν . Με βάση τις μετρήσεις της διαθεσιμότητας ενέργειας, της διαθεσιμότητας πηγών καυσίμου και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, η πυρηνική σύντηξη είναι μακράν η καλύτερη επιλογή από κάθε διαθέσιμη επιλογή για την παραγωγή ενέργειας.

Δυστυχώς, μια υποεπένδυση σε αυτήν την τεχνολογία για πάνω από 60 χρόνια μας έχει αφήσει κατάφωρα πίσω σε αυτό το σημαντικό επιστημονικό μέτωπο, και τώρα οι γύπες έχουν συγκεντρωθεί: γεμάτοι μεγάλα όνειρα και κενές υποσχέσεις, χωρίς τίποτα να δείξουν εκτός από μικρές ποσότητες σύντηξης που απέχουν πολύ από το να πλησιάσουν ακόμη και το σημείο του νεκρού σημείου. Αν υπάρχει μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που αξίζει μια επένδυση επιπέδου «φεγγαριού», αυτή είναι η πυρηνική σύντηξη. Είναι η πιο πολλά υποσχόμενη οδός για τον μετριασμό της τρέχουσας κλιματικής και ενεργειακής κρίσης. Αλλά δεν είναι η σημερινή τεχνολογία και είναι απίθανο να γίνει η αυριανή, εκτός αν αλλάξουμε δραματικά τον τρόπο με τον οποίο χρηματοδοτούμε και διεξάγουμε βασική έρευνα και ανάπτυξη εδώ στη Γη.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/nuclear-fusion-explained/