Ένα βήμα μπροστά για τη σύντηξη

Στον αγώνα υψηλού πονταρίσματος για την υλοποίηση της ενέργειας σύντηξης, ένα μικρότερο εργαστήριο μπορεί να ασκεί πίεση στα μεγάλα αγόρια. Οι παγκόσμιες προσπάθειες για την αξιοποίηση της σύντηξης - της πηγής ενέργειας του ήλιου και των αστεριών - για ενέργεια στη Γη επικεντρώνονται επί του παρόντος σε δύο εγκαταστάσεις πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων:τον αντιδραστήρα σύντηξης ITER στη Γαλλία και την Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης (NIF) στην Καλιφόρνια. Υπάρχουν όμως και άλλες, φθηνότερες προσεγγίσεις – και μία από αυτές μπορεί να έχει την ευκαιρία να είναι η πρώτη που θα φτάσει στο «ρεζερβέ», ένα βασικό ορόσημο στο οποίο μια διαδικασία παράγει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για να πυροδοτήσει την αντίδραση σύντηξης. Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Sandia στο Αλμπουκέρκι του Νέου Μεξικού, θα ανακοινώσουν σε Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης (PRL ) έγινε αποδεκτό για δημοσίευση ότι η διεργασία τους, γνωστή ως μαγνητισμένη αδρανειακή σύντηξη επένδυσης (MagLIF) και προτάθηκε για πρώτη φορά πριν από 2 χρόνια, πέρασε την πρώτη από τις τρεις δοκιμές, θέτοντάς την σε καλό δρόμο για μια προσπάθεια στο πολυπόθητο νεκρό σημείο. Οι δοκιμές των υπολοίπων στοιχείων της διαδικασίας θα συνεχιστούν το επόμενο έτος και η ομάδα αναμένει να κάνει την πρώτη της βολή στο fusion πριν από το τέλος του 2013.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης θερμαίνουν και συμπιέζουν ένα πλάσμα - ένα ιονισμένο αέριο - που αποτελείται από τα ισότοπα υδρογόνου δευτερίου και τριτίου, συμπιέζοντας τα ισότοπα έως ότου οι πυρήνες τους ξεπεράσουν την αμοιβαία απώθησή τους και συγχωνεύονται. Από αυτή την χύτρα ταχύτητας αναδύονται πυρήνες ηλίου, νετρόνια και πολλή ενέργεια. Η θερμοκρασία που απαιτείται για τη σύντηξη είναι μεγαλύτερη από 100 εκατομμύρια°C—οπότε πρέπει να βάλετε πολλή ενέργεια πριν αρχίσετε να βγάζετε οτιδήποτε. Οι ITER και NIF σχεδιάζουν να επιτεθούν σε αυτό το πρόβλημα με διαφορετικούς τρόπους. Το ITER, το οποίο θα ολοκληρωθεί το 2019 ή το 2020, θα επιχειρήσει σύντηξη περιέχοντας ένα πλάσμα με τεράστια μαγνητικά πεδία και θερμαίνοντάς το με δέσμες σωματιδίων και ραδιοκύματα. Το NIF, αντίθετα, παίρνει μια μικροσκοπική κάψουλα γεμάτη με καύσιμο υδρογόνου και τη συνθλίβει με έναν ισχυρό παλμό λέιζερ. Το NIF λειτουργεί εδώ και μερικά χρόνια, αλλά δεν έχει ακόμη επιτύχει το νεκρό σημείο.

Η τεχνική MagLIF της Sandia είναι παρόμοια με αυτή του NIF στο ότι συνθλίβει γρήγορα το καύσιμο - μια διαδικασία γνωστή ως αδρανειακή σύντηξη περιορισμού. Αλλά για να το κάνει, το MagLIF χρησιμοποιεί μαγνητικό παλμό αντί λέιζερ. Ο στόχος στο MagLIF είναι ένας μικροσκοπικός κύλινδρος διαμέτρου περίπου 7 χιλιοστών. Είναι κατασκευασμένο από βηρύλλιο και γεμάτο με δευτέριο και τρίτιο. Ο κύλινδρος, γνωστός ως επένδυση, συνδέεται με την τεράστια γεννήτρια ηλεκτρικών παλμών της Sandia (που ονομάζεται μηχανή Z), η οποία μπορεί να αποδώσει 26 εκατομμύρια αμπέρ σε έναν παλμό διάρκειας χιλιοστών του δευτερολέπτου ή λιγότερο. Αυτό το πολύ ρεύμα που περνάει από τα τοιχώματα του κυλίνδρου δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που ασκεί μια δύναμη προς τα μέσα στα τοιχώματα της επένδυσης, συνθλίβοντάς το αμέσως - και συμπιέζοντας και θερμαίνοντας το καύσιμο σύντηξης.

Οι ερευνητές γνώριζαν για αυτήν την τεχνική σύνθλιψης μιας επένδυσης για να θερμανθεί το καύσιμο σύντηξης για κάποιο χρονικό διάστημα. Αλλά η ρύθμιση του μηχανήματος MagLIF-Z από μόνη της δεν παρήγαγε αρκετή θερμότητα. Κάτι επιπλέον χρειαζόταν για να καταστεί η διαδικασία ικανή να φτάσει στο νεκρό σημείο. Ο ερευνητής της Sandia, Steve Slutz, ηγήθηκε μιας ομάδας που ερεύνησε διάφορες βελτιώσεις μέσω προσομοιώσεων της διαδικασίας σε υπολογιστή. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Physics of Plasmas το 2010, η ομάδα προέβλεψε ότι το νεκρό σημείο θα μπορούσε να επιτευχθεί με τρεις βελτιώσεις.

Πρώτον, χρειάστηκε να εφαρμόσουν τον τρέχοντα παλμό πολύ πιο γρήγορα, σε μόλις 100 νανοδευτερόλεπτα, για να αυξήσουν την ταχύτητα έκρηξης. Θα προθερμάνουν επίσης το καύσιμο υδρογόνου στο εσωτερικό της επένδυσης με παλμό λέιζερ λίγο πριν ξεκινήσει η μηχανή Z. Και τέλος, θα τοποθετούσαν δύο ηλεκτρικά πηνία γύρω από την επένδυση, ένα σε κάθε άκρο. Αυτά τα πηνία παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο που συνδέει τα δύο πηνία, τυλίγοντας την επένδυση σε μια μαγνητική κουβέρτα. Η μαγνητική κουβέρτα εμποδίζει φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και πυρήνες ηλίου, να διαφύγουν και να κρυώσουν από το πλάσμα—έτσι η θερμοκρασία παραμένει ζεστή.

Ο φυσικός πλάσματος Sandia, Ryan McBride, ηγείται της προσπάθειας για να διαπιστωθεί εάν οι προσομοιώσεις είναι σωστές. Το πρώτο στοιχείο στη λίστα είναι η δοκιμή της ταχείας συμπίεσης της επένδυσης. Μια κρίσιμη παράμετρος είναι το πάχος του τοιχώματος της επένδυσης:Όσο πιο λεπτός είναι ο τοίχος, τόσο πιο γρήγορα θα επιταχυνθεί από τον μαγνητικό παλμό. Αλλά το υλικό του τοίχου αρχίζει επίσης να εξατμίζεται κατά τη διάρκεια του παλμού και αν σπάσει πολύ νωρίς, θα χαλάσει τη συμπίεση. Από την άλλη πλευρά, εάν ο τοίχος είναι πολύ παχύς, δεν θα φτάσει σε αρκετά υψηλή ταχύτητα. "Υπάρχει ένα γλυκό σημείο στη μέση όπου παραμένει άθικτο και εξακολουθείτε να έχετε μια πολύ καλή ταχύτητα έκρηξης", λέει ο McBride.

Για να δοκιμάσουν το προβλεπόμενο γλυκό σημείο, ο McBride και η ομάδα του δημιούργησαν ένα περίπλοκο σύστημα απεικόνισης που περιλάμβανε την ανατίναξη ενός δείγματος μαγγανίου με ένα λέιζερ υψηλής ισχύος (στην πραγματικότητα ένα πρωτότυπο NIF μεταφέρθηκε στη Sandia) για την παραγωγή ακτίνων Χ. Περνώντας τις ακτίνες Χ μέσω της επένδυσης σε διάφορα στάδια της έκρηξής της, οι ερευνητές μπορούσαν να απεικονίσουν τι συνέβαινε. Βρήκαν ότι στο πάχος του γλυκού σημείου, η επένδυση κράτησε το σχήμα της ακριβώς μέσα από την έκρηξη. "Έδωσε όπως είχε προβλεφθεί", λέει ο McBride. Η ομάδα σκοπεύει να δοκιμάσει τις άλλες δύο βελτιώσεις—την προθέρμανση με λέιζερ και τη μαγνητική κουβέρτα—το επόμενο έτος και, στη συνέχεια, να τα συνδυάσει όλα μαζί για να πάρουν μια ευκαιρία πριν από το τέλος του 2013.

Νωρίτερα φέτος, ο Slutz και η ομάδα του δημοσίευσαν άλλες προσομοιώσεις στο PRL Αυτό έδειξε ότι εάν κατασκευαζόταν μια πιο ισχυρή γεννήτρια παλμών για να παράγει υψηλότερα ρεύματα - ας πούμε, 60 εκατομμύρια αμπέρ - το σύστημα θα μπορούσε να επιτύχει όχι μόνο νεκρό σημείο, αλλά και υψηλό κέρδος. Με άλλα λόγια, το MagLIF θα μπορούσε να παράγει το είδος της ενέργειας που απαιτείται για μια εμπορική μονάδα παραγωγής ενέργειας σύντηξης.

"Είμαι ενθουσιασμένος που η Sandia ανακάλυψε ότι η σύντηξη μαγνητισμένου στόχου… είναι μια διαδρομή για σημαντικό κέρδος στη μηχανή Ζ. Συμφωνούμε και ελπίζουμε ότι τα πειράματά τους θα έχουν την ευκαιρία να το δοκιμάσουν", λέει ο Glen Wurden, ο επικεφαλής της ομάδας μαγνητισμένου πλάσματος στο Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos στο Νέο Μεξικό.