Το εργαστήριο πυρηνικής σύντηξης επιτυγχάνει «ανάφλεξη»: Τι σημαίνει;

Ερευνητές σύντηξης στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης των Η.Π.Α. δημιούργησαν μια αντίδραση που παρήγαγε περισσότερη ενέργεια από όση έβαλαν

  • Από τους Jeff Tollefson, Elizabeth Gibney, για το Nature magazine με αναδημοσίευση στο Scientific American

Πρόσφατα ανακοινώθηκε από Αμερικανούς επιστήμονες ότι πέτυχαν πυρηνική σύντηξη με την οποία μπορούμε να παράγουμε περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώσαμε…Κατ’ αρχήν ας ηρεμήσουμε λίγο. Γιατί εύκολα μπορεί να δει κάποιος στην πρόταση αυτή μία παραβίαση της θεμελιώδους αρχής της Φυσικής της Αρχής Διατήρησης της Ενέργειας. Είναι δυνατόν να παίρνουμε περισσότερη ενέργεια από αυτήν που καταναλώνουμε; Προφανώς δε συμβαίνει κάτι τέτοιο. Εκείνο που θέλει να τονιστεί είναι ότι με τη μέθοδο της πυρηνικής σύντηξης παίρνουμε τελικά περισσότερη ΩΦΈΛΙΜΗ ενέργεια από την ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗ από μας. Η διαφορά αυτή της ενέργειας υπερκαλύπτεται από την τεράστια ενέργεια που απελευθερώνεται από τους πυρήνες του ισοτόπων του υδρογόνου κατά τη διαδικασία της σύντηξης. Εκείνο που πρέπει να έχουμε υπόψη είναι ότι η σύντηξη γίνεται με ελαφρείς πυρήνες (ισότοπα του υδρογόνου, δευτέριο και τρίτιο) και λαμβάνουμε πυρήνες ηλίου, κάτι που συμβαίνει στον Ήλιο μας και στα αστέρια. Με βαρείς πυρήνες δε γίνεται σύντηξη γιατί οι απωστικές δυνάμεις Coulomb μεταξύ των πρωτονίων είναι μεγαλύτερες από τις ελκτικές πυρηνικές δυνάμεις και η αντίδραση σύντηξης μετατρέπεται σε ενδόθερμη και επομένως δεν απελευθερώνεται ενέργεια, αντίθετα απορροφάται. Με τους ελαφρείς πυρήνες όμως των ισοτόπων του υδρογόνου απελευθερώνεται η επιπλέον ενέργεια από την καθαρή έλξη των σωματιδίων του πυρήνα.

LLNL, National Ignition Facility Preamplifiers. Credit: Science History Images/Alamy Stock Photo

Οι επιστήμονες στη μεγαλύτερη εγκατάσταση πυρηνικής σύντηξης στον κόσμο πέτυχαν το φαινόμενο που είναι γνωστό ως ανάφλεξη – δημιουργώντας μια πυρηνική αντίδραση που παράγει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει. Τα αποτελέσματα της σημαντικής ανακάλυψης στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης των ΗΠΑ (NIF), που διεξήχθη στις 5 Δεκεμβρίου και ανακοινώθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2022 από την κυβέρνηση του προέδρου των ΗΠΑ Τζο Μπάιντεν, ενθουσίασαν την παγκόσμια ερευνητική κοινότητα σύντηξης. Αυτή η έρευνα στοχεύει να αξιοποιήσει την πυρηνική σύντηξη – το φαινόμενο που τροφοδοτεί τον Ήλιο – για να παρέχει μια πηγή σχεδόν απεριόριστης καθαρής ενέργειας στη Γη.

«Είναι ένα απίστευτο επίτευγμα», λέει ο Mark Herrmann, αναπληρωτής διευθυντής για θεμελιώδη φυσική όπλων στο Lawrence Livermore National Laboratory στην Καλιφόρνια, το οποίο στεγάζει το εργαστήριο σύντηξης. Το πείραμα ορόσημο έρχεται μετά από χρόνια εργασίας από πολλές ομάδες σε οτιδήποτε, από λέιζερ και οπτικά, έως στόχους και μοντέλα υπολογιστών, λέει ο Herrmann. «Φυσικά αυτό είναι που γιορτάζουμε».

Μια ναυαρχίδα πειραματικής εγκατάστασης του προγράμματος πυρηνικών όπλων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ που σχεδιάστηκε για να μελετά τις αντιδράσεις που δημιουργούνται από τέτοια όπλα, η NIF, είχε αρχικά στόχο να επιτύχει ανάφλεξη μέχρι το 2012 και αντιμετώπισε κριτική για καθυστερήσεις και υπερβάσεις κόστους. Τον Αύγουστο του 2021, επιστήμονες της NIF ανακοίνωσαν ότι είχαν χρησιμοποιήσει τη συσκευή τους λέιζερ υψηλής ισχύος για να επιτύχουν μια αντίδραση ρεκόρ, που ξεπέρασε ένα κρίσιμο όριο στην πορεία προς την ανάφλεξη, αλλά οι προσπάθειες να επαναλάβουν αυτό το πείραμα ή την κρούση τους επόμενους μήνες απέτυχαν. Τελικά, οι επιστήμονες ακύρωσαν τις προσπάθειες να αναπαραγάγουν αυτό το πλάνο και τους έκανε να ξανασκεφτούν τον πειραματικό σχεδιασμό – μια προσπάθεια που απέδωσε καρπούς την περασμένη εβδομάδα.

«Υπήρχαν πολλοί άνθρωποι που δεν πίστευαν ότι ήταν δυνατό, αλλά εγώ και άλλοι που κράτησαν την πίστη τους, νιώθουμε κάπως δικαιωμένοι», λέει ο Michael Campbell, πρώην διευθυντής του εργαστηρίου σύντηξης στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη και πρώιμος υποστηρικτής της NIF ενώ βρισκόταν στο εργαστήριο Lawrence Livermore. «Έχω ένα σύμπαν για να γιορτάσω».

Το Nature εξετάζει το τελευταίο πείραμα της NIF και τι σημαίνει για την επιστήμη της σύντηξης.

ΤΙ ΠΕΤΥΧΕ Η NIF;

Η εγκατάσταση χρησιμοποίησε το σύνολο των 192 λέιζερ για να μεταφέρει 2,05 megajoules ενέργειας σε έναν χρυσό κύλινδρο μεγέθους μπιζελιού, που περιείχε ένα παγωμένο σφαιρίδιο ισοτόπων υδρογόνου δευτερίου και τριτίου. Ο παλμός της ενέργειας προκάλεσε την κατάρρευση της κάψουλας, δημιουργώντας θερμοκρασίες που παρατηρούνται μόνο στα αστέρια και τα θερμοπυρηνικά όπλα, και τα ισότοπα του υδρογόνου συντήχθηκαν σε ήλιο, απελευθερώνοντας πρόσθετη ενέργεια και δημιουργώντας μία αλληλουχία αντιδράσεων σύντηξης. Η ανάλυση του εργαστηρίου υποδηλώνει ότι απελευθερώθηκαν περίπου 3,15 megajoules ενέργειας – περίπου 54% περισσότερη από την ενέργεια που εισήχθη στην αντίδραση και υπερδιπλάσια από το προηγούμενο ρεκόρ των 1,3 megajoules.

«Η έρευνα για τη σύντηξη βρίσκεται σε εξέλιξη από τις αρχές της δεκαετίας του ’50, και αυτή είναι η πρώτη φορά στο εργαστήριο που η σύντηξη παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει», λέει ο Campbell.

Το πείραμα χαρακτηρίζεται με ασφάλεια ως ανάφλεξη, ένα μέτρο αναφοράς για τις αντιδράσεις σύντηξης που εστιάζει στο πόση ενέργεια πήγε στον στόχο σε σύγκριση με το πόση ενέργεια απελευθερώθηκε. Ωστόσο, ενώ οι αντιδράσεις σύντηξης μπορεί να παρήγαγαν περισσότερα από 3 megajoules ενέργειας -περισσότερη από αυτή που μεταβιβάστηκε στον στόχο- τα 192 λέιζερ της NIF κατανάλωσαν 322 megajoules ενέργειας στη διαδικασία.

«Είναι ένα μεγάλο ορόσημο, αλλά η NIF δεν είναι μια συσκευή ενέργειας σύντηξης», λέει ο Dave Hammer, πυρηνικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Cornell, Ithaka της Νέας Υόρκης.

Ο Herrmann το αναγνωρίζει, λέγοντας ότι υπάρχουν πολλά βήματα στο μονοπάτι προς την ενέργεια σύντηξης λέιζερ. «Η NIF δεν σχεδιάστηκε για να είναι αποτελεσματική», λέει. «Σχεδιάστηκε για να είναι το μεγαλύτερο λέιζερ που θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε για να μας δώσει τα δεδομένα που χρειαζόμαστε για το ερευνητικό πρόγραμμα [πυρηνικών] αποθεμάτων».

Για να επιτύχουν την ανάφλεξη, οι επιστήμονες της NIF πραγματοποίησαν πολλαπλές αλλαγές πριν από την τελευταία λήψη λέιζερ, με βάση εν μέρει την ανάλυση και τη μοντελοποίηση σε υπολογιστή των πειραμάτων που διεξήχθησαν πέρυσι. Εκτός από την ενίσχυση της ισχύος του λέιζερ κατά περίπου 8%, οι επιστήμονες δημιούργησαν έναν νέο στόχο με λιγότερες ατέλειες και προσάρμοσαν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια του λέιζερ διοχετεύτηκε στον στόχο, προκειμένου να δημιουργήσουν μια πιο σφαιρική έκρηξη. Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι λειτουργούσαν στο όριο της ανάφλεξης με σύντηξη και σε αυτό το καθεστώς, λέει ο Herrmann, «μικρές αλλαγές μπορούν να κάνουν μεγάλη διαφορά».

ΓΙΑΤΙ ΕΙΝΑΙ ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΑΥΤΑ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ;

Σε ένα επίπεδο, πρόκειται για την απόδειξη του τι είναι δυνατό, και σε αυτό το μέτωπο πολλοί επιστήμονες έχουν χαιρετίσει το αποτέλεσμα ως ορόσημο στην επιστήμη της σύντηξης. Όμως τα αποτελέσματα έχουν ιδιαίτερη σημασία στη NIF: η εγκατάσταση σχεδιάστηκε για να βοηθήσει τους επιστήμονες πυρηνικών όπλων να μελετήσουν την έντονη θερμότητα και τις πιέσεις που συμβαίνουν μέσα στις θερμοπυρηνικές εκρήξεις και αυτό είναι δυνατό μόνο εάν η εγκατάσταση παράγει αντιδράσεις σύντηξης υψηλής απόδοσης.

Χρειάστηκε περισσότερο από μια δεκαετία, «αλλά μπορούν να επαινεθούν για την επίτευξη του στόχου τους», λέει ο Stephen Bodner, ένας φυσικός που ήταν επικεφαλής του προγράμματος σύντηξης λέιζερ στο Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ στην Ουάσιγκτον DC. Ο Bodner λέει ότι το μεγάλο ερώτημα τώρα είναι τι θα κάνει το Υπουργείο Ενέργειας στη συνέχεια: Θα διπλασιάσει την έρευνα όπλων στο NIF ή θα στραφεί σε ένα πρόγραμμα λέιζερ που είναι ειδικά προσανατολισμένο στην έρευνα για την ενέργεια σύντηξης.

ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ ΑΥΤΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΤΗΞΗΣ;

Τα τελευταία αποτελέσματα έχουν ήδη ανανεώσει το θόρυβο για ένα μέλλον που τροφοδοτείται από καθαρή ενέργεια σύντηξης, αλλά οι ειδικοί προειδοποιούν ότι υπάρχει μακρύς δρόμος μπροστά.

Οι επιστήμονες της NIF αναγνωρίζουν εύκολα ότι η εγκατάσταση δεν σχεδιάστηκε με γνώμονα την εμπορική ενέργεια σύντηξης – και πολλοί ερευνητές αμφιβάλλουν ότι η σύντηξη με λέιζερ θα είναι η μέθοδος που θα παράγει τελικά ενέργεια σύντηξης. Όμως ο Campbell πιστεύει ότι η τελευταία του επιτυχία θα μπορούσε να ενισχύσει την εμπιστοσύνη στην υπόσχεση για την παραγωγή της ισχύος σύντηξης με λέιζερ και τελικά να ανοίξει την πόρτα σε ένα νέο πρόγραμμα που επικεντρώνεται στις ενεργειακές εφαρμογές. «Αυτό είναι απολύτως απαραίτητο για να έχουμε την αξιοπιστία να πουλήσουμε ένα ενεργειακό πρόγραμμα», λέει.

Ο διευθυντής του εργαστηρίου Lawrence Livermore, Kim Budil, περιέγραψε το επίτευγμα ως απόδειξη της ιδέας. «Δεν θέλω να σας δώσω την αίσθηση ότι θα συνδέσουμε τη NIF στο δίκτυο: σίγουρα δεν λειτουργεί έτσι», είπε κατά τη διάρκεια συνέντευξης Τύπου στην Ουάσιγκτον, DC. “Αλλά αυτό είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο ενός συστήματος στο αδρανές περιοριστικό σχήμα της ισχύος σύντηξης”.

Υπάρχουν πολλά άλλα πειράματα σύντηξης παγκοσμίως που προσπαθούν να την επιτύχουν για ενεργειακές εφαρμογές χρησιμοποιώντας διαφορετικές προσεγγίσεις. Ωστόσο, οι μηχανικές προκλήσεις παραμένουν, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού και της κατασκευής εγκαταστάσεων που μπορούν να εξάγουν τη θερμότητα που παράγεται από τη σύντηξη και να τη χρησιμοποιούν για να παράγουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας που μπορούν να μετατραπούν σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.

«Αν και έχουμε θετικά νέα, αυτό το αποτέλεσμα απέχει ακόμα πολύ από το πραγματικό ενεργειακό κέρδος που απαιτείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας», δήλωσε ο Tony Roulstone, ερευνητής πυρηνικής ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, Ηνωμένο Βασίλειο, σε μια δήλωση στο Science Media Center. .

Ωστόσο, «τα πειράματα NIF που επικεντρώνονται στην ενέργεια σύντηξης είναι απολύτως πολύτιμα στην πορεία προς την παραγωγή εμπορικής ισχύος σύντηξης», λέει η Anne White, φυσικός πλάσματος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ.

ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΕΠΟΜΕΝΑ ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΟΡΟΣΗΜΑ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΤΗΞΗ;

Για να αποδειχθεί ότι ο τύπος σύντηξης που μελετήθηκε στο NIF μπορεί να είναι ένας βιώσιμος τρόπος παραγωγής ενέργειας, ο συντελεστής απόδοσης – η ενέργεια που απελευθερώνεται σε σύγκριση με την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή των παλμών λέιζερ – πρέπει να αυξηθεί κατά τουλάχιστον δύο τάξεις μεγέθους .

Οι ερευνητές θα χρειαστεί επίσης να αυξήσουν δραματικά τον ρυθμό με τον οποίο τα λέιζερ μπορούν να παράγουν τους παλμούς και πόσο γρήγορα μπορούν να καθαρίσουν τον θάλαμο – στόχο για να τον προετοιμάσουν για ένα άλλη ανάφλεξη, λέει ο Time Luce, επικεφαλής επιστήμης και λειτουργίας στο διεθνές πρόγραμμα πυρηνικής σύντηξης ITER. , το οποίο βρίσκεται υπό κατασκευή στο St-Paul-lez-Durance της Γαλλίας.

“Επαρκή συμβάντα παραγωγής ενέργειας σύντηξης με επαναλαμβανόμενες επιδόσεις θα ήταν ένα σημαντικό ορόσημο ενδιαφέροντος”, λέει ο White.

Το έργο ITER αξίας 22 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ – μια συνεργασία μεταξύ της Κίνας, της Ευρωπαϊκής Ένωσης, της Ινδίας, της Ιαπωνίας, της Κορέας, της Ρωσίας και των Ηνωμένων Πολιτειών – στοχεύει στην επίτευξη αυτοσυντηρούμενης σύντηξης, που σημαίνει ότι η ενέργεια από τη σύντηξη παράγει περισσότερη σύντηξη, με διαφορετική τεχνική από την προσέγγιση «αδρανειακής σύντηξης περιορισμού» του NIF. Ο ITER θα κρατήσει ένα πλάσμα δευτερίου και τριτίου περιορισμένο σε ένα θάλαμο κενού ή tokamak και θα το θερμάνει μέχρι να συντηχθούν οι πυρήνες. Όταν αρχίσει να το κάνει το 2035, θα έχει ως στόχο να φτάσει στο στάδιο «καύσης», εξηγεί ο Luce «όπου η ισχύς αυτοθέρμανσης είναι η κυρίαρχη πηγή θέρμανσης». Μια τέτοια αυτοσυντηρούμενη σύντηξη είναι το κλειδί για την παραγωγή περισσότερης ενέργειας από αυτή που εισάγεται.

ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ ΓΙΑ ΤΑ ΑΛΛΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΥΝΤΗΞΗΣ

Το NIF και το ITER είναι δύο φορείς τεχνολογίας σύντηξης μεταξύ πολλών που επιδιώκουν κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο. Οι προσεγγίσεις περιλαμβάνουν μαγνητικό περιορισμό του πλάσματος —που χρησιμοποιείται από το tokamaks και stellarators— και αδρανειακό περιορισμό, που χρησιμοποιείται από το NIF καθώς και ένα υβρίδιο των δύο, μεταξύ άλλων.

Η τεχνολογία που απαιτείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητη από την ιδέα, λέει ο White, και το πιο πρόσφατο ορόσημο δεν θα οδηγήσει απαραίτητα στην εγκατάλειψη ή την εδραίωση των εννοιών από τους ερευνητές.

Οι μηχανολογικές προκλήσεις που αντιμετωπίζει η NIF είναι διαφορετικές από αυτές του ITER και άλλων εγκαταστάσεων. Αλλά το συμβολικό επίτευγμα θα μπορούσε να έχει εκτεταμένα αποτελέσματα. «Ένα αποτέλεσμα σαν αυτό θα φέρει αυξημένο ενδιαφέρον για την πρόοδο όλων των τύπων σύντηξης, επομένως θα πρέπει να έχει θετικό αντίκτυπο στην έρευνα για τη σύντηξη γενικά», λέει ο Luce.

topio@viewonphysics.gr

(726 επισκέψεις, 1 επισκέψεις σήμερα)
Updated: 16 Δεκεμβρίου 2022 — 13:17

2 Comments

Add a Comment
  1. Κατερίνα Πολίτου

    Εξαίρετο!!! Όπως επίσης και όλη η εργασία σας πάνω στη φυσική

  2. Εξαιρετικό άρθρο!!

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *