Η ενέργεια σύντηξης είναι πλέον θέμα του «πότε», όχι του «αν»

Η αιώνια υπόσχεση της σύντηξης

Από την πρώτη εργαστηριακή επίδειξη μιας αντίδρασης σύντηξης στις αρχές της δεκαετίας του 1930, οι επιστήμονες προσπαθούν να τιθασεύσουν το είδος της ενέργειας που τροφοδοτεί τον Ήλιο και τα αστέρια. Η επίτευξη μιας συσκευής σύντηξης που παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για τη διατήρηση της αντίδρασης – ένα αποτέλεσμα που ονομάζεται καθαρή ενέργεια – αποτελεί το «ιερό δισκοπότηρο». Η ενέργεια αυτή θα ήταν καθαρή, αξιόπιστη και ανεξάντλητη, παράγοντας σημαντικά περισσότερη ενέργεια ανά χιλιόγραμμο καυσίμου από οποιαδήποτε άλλη πηγή στη διάθεσή μας, συμπεριλαμβανομένης της πυρηνικής σχάσης. Επιπλέον, δεν θα εξέπεμπε καθόλου σωματίδια, διοξείδιο του άνθρακα ή οποιοδήποτε άλλο βλαβερό υποπροϊόν. Παρόλο που κανείς δεν το έχει καταφέρει ακόμα, είμαστε πιο κοντά από όσο νομίζουμε.

 
Πυρηνική σύντηξη έναντι πυρηνικής σχάσης

Η πυρηνική σύντηξη και η πυρηνική σχάση είναι σημαντικά διαφορετικές διαδικασίες. Και οι δύο περιλαμβάνουν άτομα και μετατρέπουν μάζα σε ενέργεια, όπως περιγράφεται στην περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν, E=mc². Ωστόσο, για να επιτευχθεί πυρηνική σχάση, ένα μεγάλο άτομο, όπως το ουράνιο, βομβαρδίζεται με σωματίδια υψηλής ταχύτητας για να διασπαστεί σε μικρότερα άτομα, απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας. Αντίθετα, η πυρηνική σύντηξη συμβαίνει όταν δύο μικρά άτομα, όπως το υδρογόνο, συντήκονται σε ένα μεγαλύτερο, απελευθερώνοντας και πάλι σημαντική ενέργεια.

 
Καύσιμα για την πυρηνική σύντηξη

Στον Ήλιο, η σύντηξη λαμβάνει χώρα ως αποτέλεσμα μιας αλυσιδωτής αντίδρασης πρωτονίων-πρωτονίων, ξεκινώντας με υδρογόνο. Η ακραία θερμότητα και πίεση στον πυρήνα του Ήλιου συντήκει τα πρωτόνια σε ήλιο, απελευθερώνοντας μια μικρή ποσότητα μάζας ως ενέργεια. Η αναπαραγωγή αυτής της διαδικασίας στη Γη θα ήταν ανέφικτη.

Για τους επίγειους αντιδραστήρες σύντηξης, χρησιμοποιούνται ισότοπα του υδρογόνου: δευτέριο και τρίτιο. Τα ισότοπα είναι άτομα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Πολλοί σχεδιαζόμενοι αντιδραστήρες σύντηξης θα λειτουργούν με καύσιμο δευτερίου-τριτίου (D-T) επειδή είναι σχετικά εύκολο στη χρήση, καθώς συντήκεται σε μόλις 150 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν – δέκα φορές θερμότερο από τον πυρήνα του Ήλιου.

Το δευτέριο είναι άφθονο και μπορεί να εξαχθεί από το θαλασσινό νερό. Ωστόσο, το τρίτιο είναι πιο δύσκολο. Είναι εξαιρετικά σπάνιο στη φύση, με την τρέχουσα παγκόσμια προμήθεια να εκτιμάται σε είκοσι κιλά, όλα τεχνητά παραγόμενα σε αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης. Επιπλέον, είναι ραδιενεργό, γεγονός που θέτει «τρομερές τεχνολογικές και βιωσιμότητας προκλήσεις». Ερευνητές εργάζονται για να βρουν τρόπους παραγωγής τριτίου μέσω της αλληλεπίδρασης των νετρονίων που παράγονται από τη σύντηξη με μια κουβέρτα λιθίου γύρω από τον αντιδραστήρα.

Ένα πρόβλημα με το D-T καύσιμο είναι ότι περίπου το 80% της ενέργειας της αντίδρασης παίρνει τη μορφή νετρονίων υψηλής ενέργειας. Αυτά τα νετρόνια καθιστούν αργά τα υλικά με τα οποία αλληλεπιδρούν ραδιενεργά, απαιτώντας την αντικατάσταση τμημάτων του αντιδραστήρα κάθε λίγα χρόνια. Ωστόσο, η ραδιενέργεια, τόσο από το τρίτιο όσο και από τον βομβαρδισμό με νετρόνια υψηλής ενέργειας, είναι ήπια. Τα μέρη χρειάζεται να αποθηκευτούν μόνο για μερικές δεκαετίες, σε αντίθεση με τα απόβλητα των αντιδραστήρων σχάσης που απαιτούν αποθήκευση για αιώνες ή χιλιετίες. Η διαχείριση απαιτεί προσοχή, αλλά δεν είναι εγγενώς πιο επικίνδυνη από πολλά άλλα ιατρικά και χημικά απόβλητα που διαχειρίζονται με ασφάλεια και ρουτίνα οι σύγχρονες κοινωνίες.

Εκτός από το D-T, υπάρχουν και άλλα υποψήφια καύσιμα, αν και φαίνονται λιγότερο πιθανά λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών που απαιτούν. Οι περισσότερες ιδιωτικές εταιρείες και μεγάλα κυβερνητικά έργα, όπως ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER), ευνοούν το D-T. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές εργάζονται σε άλλες ιδέες. Ο πιο υποσχόμενος αντίπαλος είναι το πλάσμα υδρογόνου-βορίου (P-B11), το προϊόν μιας αντίδρασης σύντηξης που περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο και έναν πυρήνα βορίου-11. Ο στόχος είναι η ανάφλεξη – μια αντίδραση που παράγει αρκετή ενέργεια για να διατηρήσει τη δική της θερμοκρασία χωρίς θερμότητα από άλλη πηγή. Το πλάσμα υδρογόνου-βορίου θα έπρεπε να είναι τουλάχιστον δέκα φορές θερμότερο από το πλάσμα δευτερίου-τριτίου για ανάφλεξη. Αυτή η στρατηγική έχει το πλεονέκτημα να είναι ανευτρονική, δηλαδή δεν παράγει καθόλου νετρόνια ως απόβλητα, παρά μόνο φορτισμένα προϊόντα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

 
Σχεδιασμός αντιδραστήρων

Υπάρχουν πολλοί σχεδιασμοί αντιδραστήρων, αλλά οι πιο δοκιμασμένοι είναι ο τόκαμακ (tokamak) και ο στελλαράτορας (stellarator). Και οι δύο έχουν σχήμα τοροειδές και χρησιμοποιούν μαγνήτες για να περιορίσουν και να σταθεροποιήσουν το πλάσμα καθώς συντήκεται. Σήμερα, η πλειονότητα των μεγάλων κυβερνητικών έργων και πολλών ιδιωτικών είναι τόκαμακ, αλλά οι στελλαράτορες επανέρχονται στη μόδα.

 
Μεγάλες πρωτοβουλίες και χρονοδιαγράμματα

Ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER), το μεγαλύτερο έργο σύντηξης στον κόσμο, ξεκίνησε στη νότια Γαλλία το 2007. Οι ερευνητές στον ITER στοχεύουν να το καταστήσουν ένα πεδίο δοκιμών για την τεχνολογία σύντηξης: στοχεύουν να παράγουν καθαρή ενεργειακή απόδοση 500 θερμικών μεγαβάτ από μια είσοδο 50 μεγαβάτ. Ο ITER δεν θα παράγει πραγματικά ηλεκτρική ενέργεια· προορίζεται να είναι ένας πρόδρομος ενός ακόμη μεγαλύτερου τόκαμακ, του Demonstration Power Plant (DEMO), το οποίο θα αποδείκνυε ότι η πυρηνική σύντηξη μπορεί πράγματι να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, εμπνέοντας το σχεδιασμό πιο αποδοτικών και λιγότερο δαπανηρών εργοστασίων παραγωγής ενέργειας.

Το πρόβλημα με τον ITER είναι το χρονοδιάγραμμα και το κόστος. Οι πρώτες δοκιμές πλάσματος δεν θα ξεκινήσουν πριν από το 2025, και η σύντηξη D-T δεν θα ξεκινήσει πριν από το 2035. Οι λειτουργίες του DEMO δεν θα ξεκινήσουν πριν από τα μέσα της δεκαετίας του 2050. Το έργο μαστίζεται από καθυστερήσεις και υπερβάσεις κόστους. Ο αρχικός προϋπολογισμός των 7 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ έχει διογκωθεί στα 24 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, καθιστώντας το το δεύτερο πιο ακριβό επιστημονικό εγχείρημα στον κόσμο μετά τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

Παρόλο που ο ITER ισχυρίζεται ότι θα παράγει την πρώτη συσκευή σύντηξης που θα παράγει καθαρή ενέργεια, είναι πιθανό να ηττηθεί. Αρκετές κυβερνήσεις έχουν αποφασίσει ότι δεν μπορούν να περιμένουν άλλα τριάντα και πλέον χρόνια για να αποδείξει ο ITER την αξία του και έχουν ξεκινήσει τα δικά τους προγράμματα, με επιταχυνόμενα χρονοδιαγράμματα. Νωρίτερα φέτος, η Συμβουλευτική Επιτροπή Επιστημών Ενέργειας Σύντηξης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και οι Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής των ΗΠΑ δημοσίευσαν εκθέσεις που ζητούσαν μαζικές δημόσιες και ιδιωτικές επενδύσεις σε μια αμερικανική μονάδα πυρηνικής σύντηξης, με στόχο την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο μεταξύ 2035 και 2040. Παράλληλα, το Ηνωμένο Βασίλειο έχει διαθέσει 220 εκατομμύρια λίρες (311 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ) για τον Σφαιρικό Τόκαμακ για την Παραγωγή Ενέργειας (STEP), με στόχο την κατασκευή μιας πρωτότυπης μονάδας που θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια έως το 2040.

Επίσης, η Κίνα σχεδιάζει τον Κινεζικό Αντιδραστήρα Δοκιμής Μηχανικής Σύντηξης (China Fusion Engineering Test Reactor). Το σχέδιο δύο φάσεων θυμίζει τον ITER και τον DEMO, αλλά το χρονοδιάγραμμά τους είναι ταχύτερο, με στόχο την ολοκλήρωση της πρώτης φάσης τη δεκαετία του 2030 και της δεύτερης τη δεκαετία του 2040.

 
Πρόοδος στον ιδιωτικό τομέα

Η πρόοδος στον ιδιωτικό τομέα είναι επίσης ενθαρρυντική. Τριάντα εταιρείες έχουν συγκεντρώσει περίπου 2,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ σε επενδύσεις. Αν και είναι ένα μικρό ποσό σε σύγκριση με τις ιδιωτικές επενδύσεις σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αποτελεί τεράστια αύξηση σε σχέση με το σχεδόν μηδέν πριν από μια δεκαετία. Το 2018, ιδιωτικές εταιρείες σχημάτισαν την Ένωση Βιομηχανίας Σύντηξης (Fusion Industry Association) για να εκπροσωπήσουν την αναδυόμενη βιομηχανία και έχουν ήδη αρχίσει να συνεργάζονται με κυβερνήσεις για την ανάπτυξη κατάλληλων βιομηχανικών κανονισμών.

Δεν έχει ακόμη αναδειχθεί σαφής ηγέτης στον κλάδο, αλλά η TAE Technologies με έδρα την Καλιφόρνια έχει συγκεντρώσει τα περισσότερα χρήματα. Σκοπεύουν να ξεκινήσουν με καύσιμο D-T, αλλά ο στόχος τους είναι η ανευτρονική σύντηξη χρησιμοποιώντας P-B11. Η Commonwealth Fusion Systems στις Ηνωμένες Πολιτείες και η Tokamak Energy στο Ηνωμένο Βασίλειο εργάζονται και οι δύο σε συμπαγείς σφαιρικούς αντιδραστήρες τόκαμακ. Οι εξελίξεις στους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας θα τους βοηθήσουν να κατασκευάσουν μικρότερες, ισχυρότερες και τελικά λιγότερο δαπανηρές συσκευές. Η General Fusion του Καναδά είναι μια άλλη πολλά υποσχόμενη νεοφυής επιχείρηση, χρησιμοποιώντας πολλαπλά έμβολα για να συμπιέσει ένα κέλυφος υγρού μετάλλου, το οποίο με τη σειρά του συμπιέζει το πλάσμα σε συνθήκες σύντηξης. Όλες αυτές οι εταιρείες πιστεύουν ότι η στιγμή τους πλησιάζει αυτή τη δεκαετία, με στόχο να αρχίσουν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια έως το 2030. Πρόσφατες, αξιολογημένες εργασίες που δημοσιεύτηκαν στο The Journal of Plasma Physics υποδηλώνουν ότι ο τόκαμακ SPARC της Commonwealth Fusion οδεύει πράγματι προς την καθαρή ενέργεια. Μικρότερες εταιρείες επίσης διεκδικούν ένα μερίδιο της αγοράς. Η αυστραλιανή HB11 Energy επιδιώκει την ανευτρονική σύντηξη μέσω μιας καινοτόμου, βασισμένης σε λέιζερ μεθόδου που μπορεί να είναι πολύ απλούστερη και πιο αποτελεσματική από άλλες προσεγγίσεις.

 
Γιατί μια αναγέννηση της σύντηξης;

Αυτή η αναγέννηση της σύντηξης οφείλεται σε τεχνολογικές εξελίξεις, ιδίως σε καλύτερους υπολογιστές με τη δύναμη μοντελοποίησης πλάσματος και σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας που επιτρέπουν ισχυρότερα μαγνητικά πεδία και καλύτερη συγκράτηση του πλάσματος. Αυτό τελικά θα οδηγήσει σε φθηνότερες μηχανές. Ωστόσο, η μεγαλύτερη αλλαγή ήταν η χρηματοδότηση. Εκτός από τον ITER, η έρευνα και ανάπτυξη για τη σύντηξη είχε έναν προϋπολογισμό λιμοκτονίας για δεκαετίες. Προγράμματα όπως το Advanced Research Projects Agency-Energy στις Ηνωμένες Πολιτείες παρείχαν ζωτικά αρχικά κεφάλαια για έρευνα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό οδήγησε σε περαιτέρω ιδιωτικές επενδύσεις.

 
Το μέλλον της ενέργειας σύντηξης

Εάν επιτύχουμε στην κατασκευή εργοστασίων πυρηνικής σύντηξης, θα είναι σε θέση να παράγουν αρκετή φθηνή ηλεκτρική ενέργεια για να ανταγωνιστούν άλλες πηγές; Δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι επειδή δεν έχουμε ακόμη λειτουργικούς αντιδραστήρες. Ωστόσο, μπορούμε να είμαστε συγκρατημένα αισιόδοξοι. Ο Nicholas Hawker, CEO της First Light Fusion, πιστεύει ότι μόλις ωριμάσει η τεχνολογία, η προσέγγιση της εταιρείας του θα μπορούσε να προσφέρει ένα ενοποιημένο κόστος ενέργειας έως και 25 δολάρια ΗΠΑ/MWh. Αυτό θα ήταν πολύ φθηνότερο από την πυρηνική ενέργεια (περίπου 100 δολάρια ΗΠΑ/MWh) και το μισό της τιμής της χερσαίας αιολικής ενέργειας. Ακόμα κι αν κοστίσει περισσότερο, το ίδιο το καύσιμο είναι ουσιαστικά ανεξάντλητο και η τιμή του ασήμαντη.

Οι μονάδες παραγωγής ενέργειας θα ήταν ασφαλείς και ο περιβαλλοντικός τους αντίκτυπος θα ήταν ελάχιστος. Θα παρείχαν επίσης ενέργεια που είναι πάντα διαθέσιμη και θα μείωναν την ανάγκη για δαπανηρές επενδύσεις σε υποδομές, όπως οι γραμμές μεταφοράς μεγάλων αποστάσεων. Έτσι, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από σύντηξη θα μπορούσε να είναι πολύ ανταγωνιστική.

Η πυρηνική ενέργεια σύντηξης, ωστόσο, είναι πολύ περισσότερα από απλώς καθαρή ενέργεια. Με άφθονη ενέργεια σύντηξης θα μπορούσαμε να τερματίσουμε τη φτώχεια ενέργειας μια για πάντα, παγκοσμίως, και έτσι να τερματίσουμε τη φτώχεια γενικά. Οι φιλοδοξίες μας δεν πρέπει να περιορίζονται στη Γη. Οι πύραυλοι σύντηξης και οι συμπαγείς μονάδες παραγωγής ενέργειας θα μπορούσαν να μας επιτρέψουν να επεκταθούμε εντός και πέρα από το Ηλιακό μας Σύστημα, γρηγορότερα και μακρύτερα από ό,τι θα ήταν δυνατό διαφορετικά. Σύντομα θα μπορούσαμε να ταξιδεύουμε από τη Γη στον Άρη, ή στην ζώνη των αστεροειδών, με διαστημόπλοια που κινούνται με σύντηξη. Ο μόνος τρόπος να ταξιδέψουμε σε κοντινά αστέρια εντός μιας ανθρώπινης ζωής, πιθανότατα, είναι με έναν πύραυλο σύντηξης. Αυτή είναι μια υπόσχεση που δεν πρέπει να ληφθεί ελαφρά. Είναι ο λόγος που η ελεγχόμενη σύντηξη πρέπει να επιδιωχθεί παρά όλα τα φαινομενικά εμπόδια, τις αναποδιές και τις ελκυστικές εναλλακτικές λύσεις. Τα αστέρια αξίζουν περισσότερο από κιλοβάτ.

Υπάρχει πολλή δουλειά να γίνει, αλλά η ενέργεια σύντηξης είναι πλέον θέμα του «πότε», όχι του «αν». Και το «πότε» θα μπορούσε να έρθει πολύ πιο γρήγορα από ό,τι οι περισσότεροι άνθρωποι συνειδητοποιούν.

 
Με πληροφορίες από claireberlinski.substack.com

mywaypress.gr –Περιεχόμενο αξίας με την υποστήριξη  υβριδικής νοημοσύνης.

Για  αναγνώστες με μεγάλο εύρος προσοχής.