Πρόοδος σε αμερικανικό πείραμα πυρηνικής σύντηξης

Μια κολοσσιαία γεννήτρια που δημιουργήθηκε από το αμερικανικό Πεντάγωνο για προσομοιώσεις θερμοπυρηνικών εκρήξεων πέτυχε νέο ρεκόρ απόδοσης σε πειράματα πυρηνικής σύντηξης, ένα είδος πυρηνικής αντίδρασης που θα μπορούσε μια μέρα να προσφέρει ανεξάντλητη, καθαρή ενέργεια.

Το «Z Machine», μια γιγάντια πειραματική διάταξη στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στο Νέο Μεξικό, παράγει παλμούς ηλεκτρικής ενέργειας με ισχύ πολλών εκατομμυρίων Ampere. Το ρεύμα περνάει μέσα από μια μικρή κάψουλα με υδρογόνο, το οποίο φτάνει σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου και μετατρέπεται έτσι σε ήλιο.

Σε αντίθεση με την πυρηνική σχάση, η οποία απελευθερώνει ενέργεια από τη διάσπαση βαρέων στοιχείων όπως το ουράνιο, η πυρηνική σύντηξη αφορά τις αντιδράσεις που τροφοδοτούν τη λάμψη των άστρων, αντιδράσεις στις οποίες ελαφρά στοιχεία συνδυάζονται για να σχηματίσουν βαρύτερα.

Δεδομένου ότι η σύντηξη δεν παράγει μακρόβια πυρηνικά απόβλητα, ενώ το υδρογόνο που απαιτείται ως καύσιμο θα μπορούσε να παραχθεί σε πρακτικά ανεξάντλητες ποσότητες με υδρόλυση του νερού, οι φυσικοί προσπαθούν εδώ και 60 χρόνια να δαμάσουν αυτή τη μορφή ενέργειας.

Είναι ένας δύσκολος στόχος, δεδομένου ότι οι συνθήκες που απαιτούνται για σύντηξη είναι πραγματικά ακραίες: οι πυρήνες των ατόμων είναι θετικά φορτισμένοι και απωθούνται, είναι επομένως δύσκολο να πλησιάσουν σε αρκετά μικρή απόσταση ώστε να αντιδράσουν. Για να συμβεί αυτό το οι πυρήνες πρέπει να συγκρουστούν με ταχύτητες γύρω στα 1.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, κάτι που απαιτεί θερμοκρασίες γύρω στα 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Σε ολόκληρο τον κόσμο δοκιμάζονται σήμερα διάφορες προσεγγίσεις. Η πλέον υποσχόμενη θα μελετηθεί την επόμενη δεκαετία στον Διεθνή Πειραματικό Θερμοπυρηνικό Αντιδραστήρα (ITER), στον οποίο ένα σύννεφο υπέρθερμου υδρογόνου θα συγκρατείται μετέωρο μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Μια δεύτερη προσέγγιση, η συμπίεση μιας κάψουλας υδρογόνου με ισχυρούς παλμούς ακτινοβολίας, δοκιμάζεται με τη βοήθεια του ισχυρότερου λέιζερ στον κόσμο.

Ως τώρα, πάντως, κανένα πείραμα σύντηξης δεν έχει καταφέρει να απελευθερώσει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για τη θέρμανση του υδρογόνου -μια βασική προϋπόθεση για να γίνει πρακτικά βιώσιμη η νέα τεχνολογία.

Λίγο πιο κοντά σε αυτόν τον στόχο βρίσκονται πλέον οι ερευνητές του Ζ Machine, μιας γεννήτριας παλμών ηλεκτρικής ενέργειας που είχε αρχικά αναπτυχθεί για την προσομοίωση θερμοπυρηνικών εκρήξεων για λογαριασμό του Πενταγώνου (η ερευνητική υπηρεσία Sandia υπάγεται στο υπουργείο Άμυνας).

Στην καρδιά της πειραματικής διάταξης είναι μια κάψουλα με υδρογόνο (για την ακρίβεια περιέχει το ισότοπο του υδρογόνου δευτερίου) με διαστάσεις μόλις 5 x 7,5 χιλιοστά. Η τεράστια γεννήτρια στέλνει στην κάψουλα παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος στην απίστευτη ένταση των 19 εκατομμυρίων ampere, οπότε δημιουργείται ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που κάνει την κάψουλα να καταρρεύσει προς τα μέσα με ταχύτητα γύρω στα 70 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, οπότε δημιουργούνται στο εσωτερικό της συνθήκες σύντηξης.

Στον τελευταίο γύρο δοκιμών το Z Machine θέρμανε το πυρηνικό καύσιμο στους 35 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και οδήγησε στην απελευθέρωση περίπου δύο τρισεκατομμυρίων νετρονίων ανά βολή. Ο αριθμός των νετρονίων είναι μέτρο των αντιδράσεων σύντηξης, καθώς η σύντηξη δύο πυρήνων δευτερίου απελευθερώνει έναν πυρήνα ήλιου και ένα νετρόνιο.

Η παραγωγή πρωτονίων έχει πλέον αυξηθεί κατά 1.000 φορές εν συγκρίσει με την απόδοση που προσέφερε το Z Machine πριν από μόλις έναν χρόνο, αναφέρουν οι υπεύθυνοι του πειράματος στην έγκριτη επιθεώρηση Physical Review Letters.

Παρόλα αυτά, η απόδοση θα πρέπει να αυξηθεί περαιτέρω κατά 10.000 φορές μέχρι να ξεπεράσει η ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας την ενέργεια που καταναλώθηκε στο πείραμα, επισημαίνει στο Nature.com ο Μάικ Κάμπελ, ερευνητής της Sandia.

Το επόμενο βήμα για την επίτευξη αυτού του στόχου θα μπορούσε να έρθει με την αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στα 60 εκατομμύρια ampere. Η αναβάθμιση, όμως, δεν έχει ακόμα εγκριθεί.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης