Ο καθηγητής Χρήστος Ελευθεριάδης μιλά στο Dnews: Τι είναι η πυρηνική σύντηξη και πόσο κοντά είμαστε στην «ενέργεια του μέλλοντος»

12:12 14/12/2022 - Πηγή: Dikaiologitika

Μιλώντας στο Dnews, ο Καθηγητής Πυρηνικής Φυσικής στη Σχολή Θετικών Επιστημών του ΑΠΘ, Χρήστος Ελευθεριάδης, εξηγεί τι ακριβώς συνέβη με το πείραμα πυρηνικής σύντηξης και τοποθετεί το θέμα στη σωστή διάσταση.

Η είδηση ότι επιστήμονες στις ΗΠΑ ανακοίνωσαν το πρώτο επιτυχημένο πείραμα πυρηνικής σύντηξης για την επίτευξη καθαρού ενεργειακού κέρδους κάνει από χθες τον γύρο του κόσμου. Από τη δεκαετία του ’50 αυτό έχει περιγραφεί

ως το «ιερό δισκοπότηρο» της έρευνας πάνω στην πυρηνική σύντηξη και μέχρι στιγμής κανείς δεν είχε καταφέρει να παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνεται από την αντίδραση. Αντιδράσεις σύντηξης βέβαια είναι η πηγή ενέργειας στα άστρα και βεβαίως και στον ήλιο μας.

Ας πάρουμε όμως τα πράγματα με τη σειρά. Για να πραγματοποιηθεί η σύντηξη, είναι απαραίτητο να έρθουν δύο πυρήνες σε εξαιρετικά κοντινή απόσταση (της τάξης του ενός εκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του μέτρου), πράγμα δύσκολο αφού οι πυρήνες είναι όλοι θετικά φορτισμένοι (θυμόμαστε όλοι ότι τα ομώνυμα φορτία απωθούνται). Αν όμως δοθεί με κάποιο τρόπο η ενέργεια για να ξεπεράσουν την μεταξύ τους άπωση, τότε σε πολύ μικρή απόσταση λειτουργούν οι μικρής εμβέλειας ελκτικές πυρηνικές δυνάμεις, πολύ ισχυρότερες από τις απωστικές ηλεκτρικές, οπότε οι δύο πυρήνες συντήκονται προς δημιουργία ενός βαρύτερου πυρήνα, με έκλυση μεγάλου ποσού ενέργειας.

Για να ξεπεράσουν οι πυρήνες την ηλεκτρική άπωση, χρησιμοποιούνται είτε υπερυψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμοί-στον ήλιο αρκούν 15 εκατομμύρια βαθμοί), είτε πολλαπλές δέσμες λέιζερ, που συμπιέζουν τους πυρήνες σε τόσο υψηλό βαθμό που τους αναγκάζουν να συντηχθούν, αντίδραση που παράγει μεγάλο ποσό ενέργειας και που οδηγεί σε τεράστια αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτή ακριβώς η υψηλή θερμοκρασία είναι η πηγή της ενέργειας που θα χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια, όπως άλλωστε γίνεται σε όλα τα θερμικά εργοστάσια, είτε με ορυκτά καύσιμα, είτε στα συνήθη πυρηνικά εργοστάσια που λειτουργούν με βάση τη σχάση. Υπενθυμίζεται ότι η σχάση είναι το σπάσιμο βαρέων πυρήνων προς δύο ελαφρύτερους, που και αυτή είναι αντίδραση που παράγει ενέργεια.

Στην πυρηνική σύντηξη όμως, σε αντίθεση με οποιαδήποτε άλλη μέθοδο, οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται είναι τρομακτικά μεγάλες, πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς. Προφανώς κανένα υλικό δεν μπορεί να περιορίσει τέτοιες θερμοκρασίες. Για αυτό, τον έλεγχο αναλαμβάνουν συστήματα μαγνητικών πεδίων, σε μια τεχνολογική πρόκληση που παραμένει πεδίο εντατικής έρευνας.

«Η προσπάθεια να κατακτηθεί η σύντηξη σαν τεχνολογία παραγωγής ενέργειας εντοπίζεται σε δύο βασικές παραμέτρους. Αφενός, προκειμένου η αντίδραση σύντηξης να παράγει χρήσιμη ενέργεια, πρέπει η παραγόμενη ενέργεια από την αντίδραση να είναι μεγαλύτερη από αυτή που δαπανάται από τη μονάδα για να λειτουργήσει. Αφετέρου, πρέπει ο έλεγχος της αντίδρασης να παραμένει και να μην χάνεται μετά από ελάχιστο χρόνο. Για το δεύτερο, μπορούμε να πούμε ότι τις τελευταίες δεκαετίες υπήρξε πρόοδος και ο χρόνος ελέγχου, αν και παραμένει μικρός ακόμη, τουλάχιστον βαίνει διαρκώς αυξανόμενο», εξηγεί ο κ. Χρήστος Ελευθεριάδης, Καθηγητής Πυρηνικής Φυσικής στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Τι ακριβώς κατάφεραν οι αμερικανοί επιστήμονες στο εργαστήριο

Περισσότερη παραγόμενη ενέργεια από την αντίδραση από αυτή που δαπανάται από τη μονάδα για να λειτουργήσει, είναι αυτό ακριβώς που ισχυρίζονται ότι κατάφεραν την περασμένη εβδομάδα στo Lawrence Livermore National Laboratory, οι επιστήμονες στο National Ignition Facility, το οποίο χαρακτήρισαν, σύμφωνα με τον καθηγητή, μάλλον υπερβολικά, ως ένα από τα πιο εντυπωσιακά επιστημονικά επιτεύγματα του 21ου αιώνα. Πέτυχαν ανάφλεξη με σύντηξη που παρήγαγε περισσότερη ενέργεια από την ενέργεια που προσέπεσε πάνω στο στόχο.

«Προσοχή στο σημείο αυτό, γιατί η ενέργεια που καταλανώθηκε στα λέιζερ ήταν πολύ μεγαλύτερη, περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή που παράχθηκε. Απλώς τα λέιζερ είχαν πολύ χαμηλή απόδοση, χρειάστηκαν 300 μονάδες ενέργειας, απέδωσαν στον στόχο μόλις 2 μονάδες ενέργειας και η ενέργεια που παράχθηκε ήταν 3 μονάδες ενέργειας, σε μια διαδικασία που κράτησε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Ήταν ένα βήμα μεν, ήταν η πρώτη φορά που γίνεται αυτό στον κόσμο, αλλά δεν θα το λέγαμε και μεγάλο επίτευγμα. Ας σημειώσουμε πάντως, ότι στο συγκεκριμένο εργαστήριο, ο αρχικός στόχος ήταν η κατανόηση της έναρξης της πυρηνικής σύντηξης, ώστε να μην χρειάζονται δοκιμές στα σχετικά πυρηνικά όπλα. Δεν πρόκειται δηλαδή για εργαστήριο έρευνας για ειρηνικούς σκοπούς», λέει ο καθηγητής.

Ο ίδιος συμπληρώνει πως η ενέργεια σύντηξης (για ειρηνικούς σκοπούς) είναι «καθαρή», δηλαδή δεν παράγει απόβλητα ή ραδιενεργά κατάλοιπα (παράγει λίγα και βραχύβια, άρα εύκολα διαχειρίσιμα), δεν ρυπαίνει και πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το υδρογόνο ως καύσιμο, που πρακτικά είναι ανεξάντλητο.

«Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούμε δύο ισότοπα του υδρογόνου, το δευτέριο και το τρίτιο, από τα οποία το μεν δευτέριο υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες, το δε τρίτιο μπορούμε να το παράγουμε κατά την όλη διαδικασία. Για το λόγο αυτό, η πυρηνική σύντηξη θεωρείται πλέον ως μία από τις πιθανές ενεργειακές εναλλακτικές λύσεις, αντί των ορυκτών καυσίμων. Για αυτό και η υφυπουργός πυρηνικής ασφάλειας Τζιλ Χρούμπι δήλωσε ότι οι ΗΠΑ έχουν κάνει “τα πρώτα δοκιμαστικά βήματα προς μια καθαρή πηγή ενέργειας που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον κόσμο”. Πάντως οι δηλώσεις αυτές, είναι μάλλον υπεραισιόδοξες, δεδομένου ότι η χρονική κλίμακα στην οποία αναμένουμε να έχουμε ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη για παραγωγή ενέργειας, παραμένει στο επίπεδο των δεκαετιών», σχολιάζει ο Έλληνας επιστήμονας.

Πώς όμως παρήγαγε το εργαστήριο ενέργεια από πυρηνική σύντηξη;

Κατά το πείραμα στο εργαστήριο που χρηματοδοτήθηκε με 3,5 δισεκατομμύρια δολλάρια στην Καλιφόρνια, τοποθετήθηκαν ισότοπα του υδρογόνου, δευτέριο και τρίτιο, σε μια κάψουλα, την οποία στόχευσαν 192 δέσμες λέιζερ, υπερβαίνοντας τις συνθήκες θερμοκρασίας και πιέσεως στο εσωτερικό ενός αστεριού. Αυτή η έντονη θερμότητα και πίεση ανάγκασε τους πυρήνες των ισοτόπων του υδρογόνου να συντηχθούν και να παραχθεί ενέργεια.

Αν και το πείραμα έχει πραγματοποιηθεί εκατοντάδες φορές στο παρελθόν, την περασμένη εβδομάδα για πρώτη φορά, το καύσιμο παρέμεινε αρκετά ζεστό και πυκνό ώστε να αναφλεγεί και να παραγάγει περισσότερη ενέργεια από όση είχε απορροφήσει.

«Η ανάφλεξη είναι το πρώτο βήμα, ένα πραγματικά μνημειώδες βήμα, που θέτει τις βάσεις για μια δεκαετία μετασχηματισμού στην επιστήμη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και την έρευνα σύντηξης και ανυπομονώ να δω πού θα μας οδηγήσει» σχολίασε η Kim Budil, διευθύντρια της Εθνικής Βιβλιοθήκης Lawrence Livermore.

Θα μπορούσε όμως μια τέτοια σημαντική ανακάλυψη στην πυρηνική σύντηξη να «αλλάξει το παιχνίδι»; Ο βουλευτής Don Beyer, πρόεδρος της διακομματικής ομάδας στο Κογκρέσο για την ενέργεια σύντηξης σχολιάζει: «Η σύντηξη έχει τη δυνατότητα να βγάλει από τη φτώχεια περισσότερους πολίτες του κόσμου από οτιδήποτε άλλο μετά την ανακάλυψη της φωτιάς». Αντίστοιχα, οι υποστηρικτές του επιτεύγματος λένε ότι θα μπορούσε να τροφοδοτήσει εκατομμύρια σπίτια χωρίς εκπομπές άνθρακα ή παραγωγή επικίνδυνων πυρηνικών αποβλήτων.

«Ενώ η ανακάλυψη είναι ένα απίστευτο επιστημονικό επίτευγμα , η τεχνολογία απέχει ακόμη τουλάχιστον 20 χρόνια από το να καταστεί μια εμπορικά διαθέσιμη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το εργαστήριο στις ΗΠΑ χρησιμοποιεί μεν κάποια από τα μεγαλύτερα λέιζερ στον κόσμο, που όμως είναι μάλλον ξεπερασμένης τεχνολογίας. Και βέβαια η διαδικασία απαιτεί υλικά που είναι δύσκολο να παραχθούν. Ο εξοπλισμός που απαιτείται για τη μετατροπή της ενέργειας που παράγεται από τη σύντηξη σε ηλεκτρική ενέργεια η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο δίκτυο επίσης δεν έχει αναπτυχθεί ακόμη», καταλήγει ο Καθηγητής Ελευθεριάδης.

#ΠΥΡΗΝΙΚΗ_ΣΥΝΤΑΞΗ #ΠΕΙΡΑΜΑ #ΧΡΗΣΤΟΣ_ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΔΗΣ