Επιστήμονες ενδέχεται να βρήκαν μια αναπάντεχη «συντόμευση» για την πυρηνική σύντηξη, η οποία θα μπορούσε να μειώσει δραματικά την ενέργεια που απαιτείται για να πυροδοτηθεί η δύναμη του Ήλιου.
Επιστήμονες στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) εντόπισαν έναν δυνητικά πολύ πιο αποδοτικό τρόπο για την επίτευξη πυρηνικής σύντηξης, της διεργασίας που τροφοδοτεί τον Ήλιο.
Οι υπολογισμοί τους υποδηλώνουν ότι η αλλαγή της σειράς με την οποία θερμαίνεται και συμπιέζεται το πλάσμα θα μπορούσε να μειώσει δραματικά την ενέργεια που απαιτείται για την επίτευξη ανάφλεξης, ενός κρίσιμου οροσήμου στην επιδίωξη για πρακτική ισχύ από σύντηξη.
Για περισσότερες από επτά δεκαετίες, οι επιστήμονες βασίζονταν σε μια εξίσωση που ονομάζεται «κριτήριο του Λόουσον» (Lawson criterion) για να προσδιορίσουν εάν το πλάσμα μπορεί να παραμείνει επαρκώς θερμό και πυκνό για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε να συντηρήσει τις αντιδράσεις σύντηξης χωρίς πρόσθετη εξωτερική θέρμανση.
Η εξίσωση αυτή, η οποία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1950, καθορίζει τις απαραίτητες συνθήκες για την ανάφλεξη, αλλά δεν εξηγεί τον πιο αποδοτικό τρόπο για την επίτευξή τους. Τώρα, οι φυσικοί του PPPL Λουίς Ντελγκάντο-Απαρίσιο (Luis Delgado-Aparicio), Μασαγιούκι Όνο (Masayuki Ono) και Τζόναθαν Μέναρντ (Jonathan Menard) επικαιροποίησαν αυτό το πλαίσιο δεκαετιών.
Ενσωματώνοντας τέσσερις επιπλέον παράγοντες που επηρεάζουν τη συμπεριφορά του πλάσματος σύντηξης, ανέπτυξαν ένα πιο ολοκληρωμένο μοντέλο για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα συστήματα σύντηξης πρέπει να θερμαίνουν και να διατηρούν το καύσιμό τους. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.
Για να κατανοήσει κανείς τη σημασία της ανακάλυψης, βοηθά να γνωρίζει τι είναι το πλάσμα. Το πλάσμα, που συχνά αποκαλείται η τέταρτη κατάσταση της ύλης, είναι ένα αέριο τόσο θερμό ώστε τα σωματίδιά του αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο. Όταν το πλάσμα φτάνει σε ανάφλεξη, η ενέργεια που απελευθερώνεται από τις αντιδράσεις σύντηξης παράγει αρκετή θερμότητα ώστε να συντηρεί τη διεργασία χωρίς περαιτέρω εξωτερική θέρμανση.
Η αποτελεσματική επίτευξη αυτής της συνθήκης αποτελεί μία από τις κεντρικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές της ενέργειας σύντηξης
Μια αναπάντεχη «συντόμευση» για την ανάφλεξη της σύντηξης
Ο Ντελγκάντο-Απαρίσιο παρομοιάζει την ανακάλυψη της ομάδας με την εύρεση μιας ευκολότερης διαδρομής μέσα από μια οροσειρά. Φανταστείτε ότι η ενέργεια που απαιτείται για την ανάφλεξη της σύντηξης αντιπροσωπεύεται από ένα τοπίο, όπου ο προορισμός βρίσκεται πέρα από ένα πανύψηλο βουνό.
Πολλές προτεινόμενες στρατηγικές σύντηξης ακολουθούν το ανάλογο της απευθείας αναρρίχησης πάνω από αυτό το βουνό. Αυξάνουν πρώτα την πυκνότητα του πλάσματος και στη συνέχεια παρέχουν τη θερμότητα που απαιτείται για την επίτευξη ανάφλεξης. Ωστόσο, οι υπολογισμοί των ερευνητών δείχνουν μια λιγότερο απαιτητική διαδρομή: αυξήστε πρώτα τη θερμοκρασία του πλάσματος και μετά την πυκνότητά του.
«Πολλές εταιρείες θέλουν να ανέβουν το βουνό κατά μέτωπο και ξοδεύουν τεράστια ενέργεια για να φτάσουν εκεί», δήλωσε ο Ντελγκάντο-Απαρίσιο. «Προσπεράστε την κορυφή γύρω-γύρω. Φτάνετε στο ίδιο μέρος με έναν πολύ πιο έξυπνο τρόπο και χρησιμοποιείτε πολύ λιγότερη ενέργεια». Η μαθηματική εξήγηση περιλαμβάνει μια περιοχή που ονομάζεται «σαμάρι του Κόρντεϊ» (Cordey saddle).
Όπως ένα ορεινό πέρασμα, αυτό αντιπροσωπεύει το χαμηλότερο σημείο κατά μήκος ενός φραγμού που χωρίζει το πλάσμα το οποίο χρειάζεται ακόμη εξωτερική θέρμανση από το πλάσμα που είναι ικανό να συντηρήσει τις δικές του αντιδράσεις σύντηξης. Για να αξιολογήσουν τις πιθανές διαδρομές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέτρηση γνωστή ως Q, η οποία συγκρίνει την ισχύ που παράγεται από τη σύντηξη με την παρεχόμενη εξωτερική ισχύ θέρμανσης.
Σε ένα ιδανικό πλάσμα που περιέχει μόνο καύσιμο σύντηξης, το σαμάρι του Κόρντεϊ εμφανίζεται όταν η σύντηξη παράγει περίπου πέντε φορές την ισχύ θέρμανσης που παρέχεται. Οι συνθήκες γίνονται πιο περίπλοκες στις πραγματικές μηχανές σύντηξης.
Οι προσμίξεις (μολυσματικοί παράγοντες) μέσα στο πλάσμα και τα εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία μπορούν να μετατοπίσουν τη θέση αυτού του κρίσιμου σημείου, αυξάνοντας την τιμή Q που απαιτείται για την επίτευξή του.
Ένας νέος οδικός χάρτης για τους μελλοντικούς αντιδραστήρες σύντηξης
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στον σχεδιασμό των μηχανών σύντηξης που ονομάζονται «τοκαμάκ» (tokamaks) και «στελαρέιτορ» (stellarators). Ερευνητές και ιδιωτικές εταιρείες εξετάζουν διάφορες τεχνολογίες που θα μπορούσαν τελικά να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για το δίκτυο ηλεκτροδότησης μέσω πυρηνικής σύντηξης. Τα τοκαμάκ συγκαταλέγονται στις κορυφαίες προσεγγίσεις. Αυτές οι συσκευές, που έχουν σχήμα ντόνατ, χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για να περιορίσουν το πλάσμα καθώς αυτό θερμαίνεται και φτάνει στην πυκνότητα που απαιτείται για την ανάφλεξη της σύντηξης.
Ο εντοπισμός μιας πιο αποδοτικής διαδρομής προς την ανάφλεξη θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να λάβουν καλύτερες αποφάσεις σχετικά με τον τρόπο σχεδιασμού και λειτουργίας αυτών των μηχανών. Η εργασία αυτή υποστηρίζει επίσης τις ευρύτερες προσπάθειες του PPPL για την αντιμετώπιση επιστημονικών και τεχνολογικών προσκομμάτων που στέκονται εμπόδιο στην εμπορική ισχύ από σύντηξη και στους μελλοντικούς πιλοτικούς σταθμούς σύντηξης.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του νέου μοντέλου είναι ότι εξετάζει ταυτόχρονα αρκετές σημαντικές φυσικές διεργασίες. Προηγούμενες μελέτες εξέταζαν συχνά αυτές τις επιδράσεις ξεχωριστά, καθιστώντας πιο δύσκολη την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας.
Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τέσσερις επιπλέον επιδράσεις που μπορούν να αλλάξουν τις απαιτήσεις για τη διατήρηση της σύντηξης:
• Στάχτη ηλίου: Το ήλιο που μένει πίσω από τις αντιδράσεις σύντηξης μπορεί να συσσωρευτεί στο εσωτερικό του πλάσματος, μειώνοντας τη συγκέντρωση του χρησιμοποιήσιμου καυσίμου.
• Προσμίξεις πλάσματος: Τόσο τα ελαφρά όσο και τα βαρέα στοιχεία που απελευθερώνονται από τα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα μπορούν να μολύνουν το πλάσμα και να παρεμποδίσουν τη σύντηξη.
• Ακτινοβολία σύγχροτρον: Τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, ιδιαίτερα τα ηλεκτρόνια, μπορούν να απελευθερώσουν ενέργεια μέσω ακτινοβολίας, συμβάλλοντας σε απώλειες ενέργειας.
• Διαφυγή θερμότητας από το πλάσμα: Η ενέργεια μπορεί να ρεύσει έξω από το περιορισμένο πλάσμα, με τις απώλειες αυτές να γίνονται πιο σημαντικές καθώς αυξάνονται οι θερμοκρασίες.
Η συνεκτίμηση αυτών των επιδράσεων μαζί δημιουργεί μια πιο ρεαλιστική εικόνα των προκλήσεων που πρέπει να ξεπεράσουν οι αντιδραστήρες σύντηξης. «Όταν παραλείπεις αυτές τις επιδράσεις, λες ότι ο σχεδιασμός θα λειτουργήσει μια χαρά», δήλωσε ο Όνο. «Όταν όμως τις προσθέτεις, η εικόνα αλλάζει και γίνεται εξαιρετικά σημαντική».
Σύμφωνα με τον Όνο (Ono), ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα κοινό πλαίσιο το οποίο θα μπορούν να χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να αξιολογούν τα προτεινόμενα συστήματα σύντηξης πριν δεσμευτούν για την κατασκευή τους.
Η αντιμετώπιση του κριτηρίου του Λόουσον ως ενός μοναδικού, αμετάβλητου ορίου μπορεί να παραβλέψει φυσικά φαινόμενα που μεταβάλλουν ουσιαστικά τις συνθήκες που απαιτούνται για την ανάφλεξη.
«Τα πειράματα σύντηξης κοστίζουν πάρα πολλά χρήματα και δεν θέλεις να κάνεις λάθη που θα μπορούσες να είχες εντοπίσει εκ των προτέρων», δήλωσε ο ίδιος.
Ελάχιστες ποσότητες βολφραμίου θα μπορούσαν να δυσκολέψουν σημαντικά τη σύντηξη
Η ανάλυση αναδεικνύει επίσης μια δυνητικά σοβαρή πρόκληση που αφορά τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των αντιδραστήρων σύντηξης. Περισσότερες από δώδεκα προηγμένες μηχανές σύντηξης σχεδιάζονται με βολφράμιο να καλύπτει τα εσωτερικά τους τοιχώματα.
Οι μηχανικοί προτιμούν αυτό το μέταλλο επειδή μπορεί να ανεχθεί την εξαιρετική θερμότητα που σχετίζεται με το πλάσμα σύντηξης, το οποίο πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν εκείνες στο κέντρο του Ήλιου.
Ωστόσο, το βολφράμιο μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα ακόμη και αν μια μικρή ποσότητα εισχωρήσει στο πλάσμα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μια συγκέντρωση βολφραμίου μόλις ενός μέρους στα 10.000 θα μπορούσε κατά προσέγγιση να διπλασιάσει την πίεση που απαιτείται για την επίτευξη ανάφλεξης.
Αυτό σημαίνει ότι μια εξαιρετικά μικρή ποσότητα υλικού που απελευθερώνεται από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά τη δυσκολία διατήρησης της σύντηξης. Αυτοί οι υπολογισμοί βασίστηκαν σε μια δισδιάστατη ανάλυση.
Όταν το μοντέλο επεκτείνεται σε τρεις διαστάσεις, η απαιτούμενη πίεση μπορεί να αυξηθεί πέρα από το όριο στο οποίο το πλάσμα παραμένει σταθερό. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν γιατί φαινομενικά δευτερεύουσες λεπτομέρειες στον σχεδιασμό των αντιδραστήρων μπορούν να έχουν σημαντικές συνέπειες στην απόδοση της σύντηξης.
Ένα αναπάντεχο όφελος από τις απώλειες ενέργειας στη σύντηξη
Αν και οι απώλειες ενέργειας καθιστούν την ανάφλεξη πιο δύσκολη, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αυτά τα ίδια φαινόμενα θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην πρόληψη ενός διαφορετικού προβλήματος.
Οι επιστήμονες της σύντηξης εξετάζουν εδώ και καιρό την πιθανότητα μιας θερμικής αστάθειας «διαφυγής» (thermal runaway).
Αυτό συμβαίνει όταν η θερμότητα από τις αντιδράσεις σύντηξης επιταχύνει περαιτέρω τη σύντηξη, παράγοντας ακόμη περισσότερη θερμότητα και δημιουργώντας ενδεχομένως έναν αυτοενισχυόμενο κύκλο. Οι νέοι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι διεργασίες που είναι υπεύθυνες για την άντληση ενέργειας από το πλάσμα μπορούν επίσης να περιορίσουν αυτή την ανάδραση.
Λειτουργώντας συνδυαστικά, αυτά τα φαινόμενα θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε ένα φλεγόμενο πλάσμα να διατηρήσει μια σταθερή κατάσταση λειτουργίας χωρίς συνεχή εξωτερική θέρμανση.
(Σε αντίθεση με έναν σταθμό παραγωγής ενέργειας από σχάση, ένα σύστημα σύντηξης διαθέτει καύσιμο μόνο για λίγα δευτερόλεπτα κάθε φορά, επομένως η απώλεια ελέγχου σημαίνει απλώς ότι το πλάσμα ψύχεται και η καύση σταματά, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος για κάτι χειρότερο.)
Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι ορισμένες φυσικές διεργασίες που παραδοσιακά θεωρούνταν εμπόδια για την ανάφλεξη, ενδέχεται επίσης να συμβάλλουν στη σταθερότητα ενός ενεργού αντιδραστήρα σύντηξης.
Το υγρό λίθιο και τα εξελιγμένα καύσιμα θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση της σύντηξης
Η έρευνα προσδιορίζει πιθανούς τρόπους για την αντιμετώπιση ορισμένων από τα προβλήματα που αποκάλυψε το νέο μοντέλο. Μια πολλά υποσχόμενη επιλογή περιλαμβάνει την επικάλυψη των εσωτερικών τοιχωμάτων των συστημάτων σύντηξης με υγρό λίθιο, μια τεχνολογία που το PPPL ερευνά εδώ και χρόνια.
Τέτοιες επικαλύψεις θα μπορούσαν να μειώσουν την ποσότητα βολφραμίου που εισέρχεται στο πλάσμα, βοηθώντας παράλληλα στη συγκράτηση της θερμότητας. Μια άλλη πιθανότητα είναι η χρήση καυσίμου με πολωμένο σπιν (spin-polarized fuel).
Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει την ευθυγράμμιση των σπιν των πυρήνων του καυσίμου πριν πραγματοποιηθεί η σύντηξη, αυξάνοντας την πιθανότητα αντιδράσεων σύντηξης και βελτιώνοντας ενδεχομένως την απόδοση του συστήματος.
Μαζί, αυτές οι στρατηγικές θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους μηχανικούς να αναπτύξουν αντιδραστήρες που επιτυγχάνουν ανάφλεξη πιο αποτελεσματικά, διατηρώντας παράλληλα σταθερές συνθήκες.
Προς το παρόν, η προτεινόμενη προσέγγιση «πρώτα η θερμότητα» παραμένει θεωρητική.
Τα ευρήματα προέρχονται από μαθηματικούς υπολογισμούς και όχι από άμεσες πειραματικές μετρήσεις, καθώς τα υπάρχοντα πειράματα δεν έχουν φτάσει στις θερμοκρασίες που σχετίζονται με το σαμάρι του Κόρντεϊ.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν περαιτέρω την προτεινόμενη στρατηγική τους μέσω πειραμάτων σε υπολογιστή, γεγονός που θα τους επιτρέψει να δοκιμάσουν τη διαδρομή «πρώτα η θερμότητα» υπό προσομοιωμένες συνθήκες σύντηξης.
«Αν και απαιτείται περαιτέρω μελέτη, είμαστε ενθουσιασμένοι με αυτά τα αποτελέσματα, καθώς υποδεικνύουν μια ξεκάθαρη πορεία για τη μελλοντική έρευνα σε αυτόν τον τομέα», δήλωσε ο Μέναρντ. Η εργασία αυτή προσφέρει μια νέα οπτική σε μία από τις πιο επίμονες προκλήσεις της ενέργειας σύντηξης. Αντί να πιέζουν απλώς το πλάσμα σε ολοένα και υψηλότερες πυκνότητες και θερμοκρασίες, οι επιστήμονες ίσως είναι σε θέση να φτάσουν στον ίδιο κρίσιμο προορισμό επιλέγοντας μια πιο αποδοτική διαδρομή.