Μια σημαντική ανακοίνωση για την ενέργεια σύντηξης βγήκε από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια.
Οι επιστήμονες στην εγκατάσταση μπόρεσαν να ξεκινήσουν ένα πείραμα σύντηξης που παρήγαγε περισσότερη ενέργεια από όση χρειαζόταν για την ανάφλεξή του, στοχεύοντας 192 ακτίνες λέιζερ που αναδημιουργούσαν την ενέργεια του ήλιου σε κάθε άκρο ενός μικροσκοπικού κυλίνδρου που περιείχε ένα σφαιρικό κομμάτι καυσίμου υδρογόνου μέσα σε διαμάντι.
Κατά την πρόσκρουση των ακτίνων με το εσωτερικό τοίχωμα του κυλίνδρου, η ενέργεια που αποτέθηκε σε αυτό το υλικό απελευθερώθηκε ως ακτίνες Χ, «συμπιέζοντας» την κάψουλα από όλες τις πλευρές, σύμφωνα με τον Αναπληρωτή Διαχειριστή Αμυντικών Προγραμμάτων της NNSA, Δρ Μάρβιν Άνταμς.
Όπως σημειώνει ο Δρ Άνταμς, αυτό αποτελούσε ένα αρκετά τυπικό πείραμα σύντηξης, το οποίο είχε πραγματοποιηθεί «εκατοντάδες» φορές πριν. Η διαφορά στο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στις 5 Δεκεμβρίου 2022; Οι επιστήμονες κατάφεραν να διατηρήσουν το σφαιρικό καύσιμο σύντηξης «αρκετά ζεστό, αρκετά πυκνό, αρκετά στρογγυλό, για αρκετό καιρό» ώστε να αναφλεγεί, παράγοντας «περισσότερες ενέργειες απ’ ότι τα λέιζερ που κατατέθηκαν».
Τεράστια ανακάλυψη
Τα λέιζερ συνεισέφεραν 2 megajoule και το πείραμα παρήγαγε 3 megajoule, ωθώντας την τεχνολογία πέρα από το σημείο «επιστημονικής ενεργειακής εξισορρόπησης». Αυτή η ενέργεια παρήχθη σε λιγότερο χρόνο από ό,τι χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει μια ίντσα, πρόσθεσε ο Δρ Άνταμς.
Λοιπόν, τι σημαίνει αυτή η τεράστια επιστημονική ανακάλυψη για τα αυτοκίνητα; Θα δείτε την ενέργεια σύντηξης να αντικαθιστά τους σταθμούς άνθρακα, ανέμου ή πυρηνικής ενέργειας σύντομα; Η βαθιά «βουτιά» του τεχνικού διευθυντή Φρανκ Μάρκους, σε αυτήν την πολλά υποσχόμενη καθαρή τεχνολογία (δεν παράγει αξιοσημείωτες εκπομπές ή ραδιοεκπομπές και ό,τι έχει για την αυτοκινητοβιομηχανία και πέρα από αυτό, που δημοσιεύθηκε αρχικά τον Απρίλιο του 2022, συνεχίζεται παρακάτω:
Πολλοί άνθρωποι αντιστέκονται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα επειδή το ηλεκτρικό μας δίκτυο δεν είναι αρκετά πράσινο, με το 60% της ηλεκτρικής μας ενέργειας να παράγεται από ορυκτά καύσιμα. Το υπόλοιπο κατανέμεται κατά προσέγγιση μεταξύ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (αιολικής και υδροηλεκτρικής, κυρίως) και της πυρηνικής σχάσης. Το τελευταίο βρισκόταν σε σταθερή πτώση από την καταστροφή της Φουκουσίμα το 2011, αλλά τον Φεβρουάριο υπήρξαν καλά νέα για το πολύ πιο φιλικό προς τη γη και ανανεώσιμες πηγές πυρηνικής ενέργειας σύντηξης μέτωπο.
Στα τέλη του 2021, το εργαστήριο Joint European Torus (JET) με έδρα τη Βρετανία κατέρριψε το παγκόσμιο ρεκόρ που έθεσε το 1997 για την ενέργεια που εξάγεται από τη σύντηξη ισοτόπων υδρογόνου για να σχηματιστεί ήλιο —16,4 kWh ενέργειας σε 5 δευτερόλεπτα. Αυτό είναι αρκετό μόνο για να οδηγήσεις περίπου 50 μίλια σε ένα EV, και ακόμη και αγνοώντας την ενέργεια που δαπανήθηκε για την έναρξη της αντίδρασης, η συσκευή επένδυσε τριπλάσια ενέργεια που παρήχθη κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Κανείς δεν σηκώνει ένα πανό “Αποστολή Ολοκληρώθηκε”, αλλά τα 5 δευτερόλεπτα είναι για πάντα με όρους αντίδρασης σύντηξης, και αυτό το αποτέλεσμα έπεισε τους επιστήμονες ότι είναι πιθανές μεγαλύτερες ενεργειακά θετικές αντιδράσεις. Ας δούμε πώς λειτουργεί η ενέργεια σύντηξης.
Στις θερμοκρασίες και τις πιέσεις που τροφοδοτούν τη σύντηξη σε αστέρια όπως ο ήλιος μας, τα περισσότερα στοιχεία ελαφρύτερα από τον σίδηρο (ατομικός αριθμός 26) μπορούν να συντηχθούν, απελευθερώνοντας ενέργεια στη διαδικασία. Η σύντηξη δύο ισοτόπων υδρογόνου (ατομικός αριθμός 1) για να σχηματιστεί ήλιο (2) συμβαίνει σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και απελευθερώνει περισσότερη ενέργεια από τη σύντηξη βαρύτερων στοιχείων, έτσι η τρέχουσα έρευνα για την ενέργεια πυρηνικής σύντηξης επικεντρώνεται στη σύντηξη των ισοτόπων H2 δευτερίου και τριτίου. Ο πυρήνας του πρώτου αποτελείται από ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο, ενώ ο δεύτερος έχει δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο. Κατά τη σύντηξη, χάνεται ένα κομμάτι μάζας με αυτό το πλεόνασμα νετρονίου, οπότε για να εξισορροπηθεί η εξίσωση του Αϊνστάιν E=mc2, απελευθερώνεται ενέργεια με αυτήν τη μάζα.
Βαρυτική πίεση
Η έντονη βαρυτική πίεση μέσα στον ήλιο αφήνει αυτή την αντίδραση να συμβεί σε εύκρατους 10 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, αλλά εδώ στη Γη πρέπει να ρίξουμε τη θερμότητα σε πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, τα άτομα του αερίου υδρογόνου χωρίζονται σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται πλάσμα (ένας κεραυνός είναι πλάσμα).
Δεδομένου ότι κανένα υλικό δεν μπορεί να περιέχει τέτοιες θερμοκρασίες, η αντίδραση πρέπει να γίνει σε κενό με το καύσιμο να «περιέχεται» από ένα έντονο μαγνητικό πεδίο. Η διαμόρφωση του θαλάμου κενού και του μαγνητικού πεδίου σαν το εσωτερικό ενός καλουπιού ντόνατ (ένας τόρος) επιτρέπει σε αυτά τα υπέρθερμα μόρια να περιστρέφονται κυκλικά καθώς θερμαίνονται ηλεκτρικά ή μαγνητικά μέχρι να συγκρουστούν μεταξύ τους και να συγχωνευτούν. (Αναζητήστε “tokamak” και “stellarator” για περισσότερα σχετικά με αυτά τα μαγνητικά δοχεία.)
Οι περισσότερες από τις δοκιμές σύντηξης στο παρελθόν έχουν διεξαχθεί σε θαλάμους κενού όπως αυτοί, χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες για να αναγκάσουν τα άτομα να περιστρέφονται με υψηλές ταχύτητες και να συγκρούονται, ξεκινώντας την αντίδραση. Αντίθετα, το Lawrence Livermore National Labs χρησιμοποιεί ενέργεια λέιζερ και έχει κατασκευάσει μια σειρά από όλο και πιο ισχυρά συστήματα λέιζερ, οδηγώντας στη δημιουργία της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης, του μεγαλύτερου και πιο ενεργητικού συστήματος λέιζερ στον κόσμο. Το NIF — που βρίσκεται στο LLNL στο Λίβερμορ της Καλιφόρνια — έχει το μέγεθος ενός αθλητικού σταδίου. Εδώ 192 ακτίνες λέιζερ παρέδωσαν περισσότερα από 2 εκατομμύρια τζάουλ υπεριώδους ενέργειας σε ένα μικροσκοπικό σφαιρίδιο καυσίμου για να δημιουργήσουν θερμοκρασίες και πιέσεις όπως αυτές στους πυρήνες των άστρων και των γιγάντιων πλανητών και στο εσωτερικό των πυρηνικών όπλων που εκρήγνυνται.
Υπερψυκτικοί μαγνήτες
Εν τω μεταξύ, η αντίδραση του 2021 στο JET, που τροφοδοτείται από δύο σφόνδυλους 500 MW, διήρκεσε μόνο 5 δευτερόλεπτα, επειδή τόσος χρόνος χρειάστηκε για να υπερθερμανθούν οι χάλκινοι ηλεκτρομαγνήτες που διαχειρίζονταν αυτό το έντονο πεδίο περιορισμού. Αλλά ο σημαντικά μεγαλύτερος Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER) που κατασκευάζεται στο Cadarache της Γαλλίας, θα χρησιμοποιεί υπερψυκτικούς μαγνήτες. Αυτή η συσκευή προορίζεται να αποδείξει τη σκοπιμότητα μιας βιώσιμης, θετικής πυρηνικής σύντηξης. Το πρόσφατο πείραμα JET επαλήθευσε τους υπολογισμούς που υποδηλώνουν ότι το ITER θα είναι επιτυχές όταν ξεκινήσει τα πειράματα σύντηξης το 2035.
Γιατί η σύντηξη είναι ασφαλέστερη; Πρώτον, δεν υπάρχει τίποτα για την ίδια την αντίδραση που πρέπει να περιοριστεί για να αποφευχθεί μια κατάρρευση όπως η Φουκουσίμα. Εάν το πεδίο περιορισμού φριζάρει, η αντίδραση απλώς σταματά.
Η εμπλεκόμενη ραδιενέργεια είναι πολύ χαμηλότερη. Το καύσιμο τρίτιο είναι ήπια ραδιενεργό, αλλά χρησιμοποιείται σε μικρές ποσότητες και η ακτινοβολία του φεύγει γρήγορα από το ανθρώπινο σώμα. Οι εξαιρετικά ενεργητικές εκπομπές νετρονίων παράγουν κάποια ραδιενέργεια, αλλά συγκρατείται εύκολα και διασπάται γρήγορα. Το καύσιμο χρησιμοποιείται πλήρως, παράγοντας αβλαβές ήλιο και δεν αφήνει επιβλαβή απόβλητα.
Δεν απαιτείται σχεδόν καμία εξόρυξη. Το δευτέριο εμφανίζεται φυσικά (που αντιστοιχεί σε ένα στα 5.000 άτομα υδρογόνου στο θαλασσινό νερό) και παρόλο που το τρίτιο είναι σπάνιο στη φύση, μπορεί να παραχθεί με έκθεση λιθίου στα ενεργητικά νετρόνια που εκπέμπονται από την αντίδραση σύντηξης, έτσι ένας αντιδραστήρας που λειτουργεί μπορεί να παράγει το δικό του τρίτιο τοπικά.
Διαβάστε ακόμα: