Η μηχανή Z σημειώνει πρόοδο προς την πυρηνική σύντηξη
Οι επιστήμονες αναφέρουν μια σημαντική πρόοδο στην προσπάθεια ανάπτυξης μιας εναλλακτικής προσέγγισης για την πυρηνική σύντηξη. Ερευνητές στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στο Αλμπουκέρκι του Νέου Μεξικού, χρησιμοποιώντας τη μηχανή Z του εργαστηρίου, μια κολοσσιαία γεννήτρια ηλεκτρικών παλμών ικανή να παράγει ρεύματα δεκάδων εκατομμυρίων αμπέρ, λένε ότι έχουν ανιχνεύσει σημαντικούς αριθμούς νετρονίων -υποπροϊόντα αντιδράσεων σύντηξης- που προέρχονται από πείραμα. Αυτό, λένε, καταδεικνύει τη βιωσιμότητα της προσέγγισής τους και σηματοδοτεί την πρόοδο προς τον απώτερο στόχο της παραγωγής περισσότερης ενέργειας από αυτή που προσλαμβάνει η συσκευή σύντηξης.
Η σύντηξη είναι μια πυρηνική αντίδραση που απελευθερώνει ενέργεια όχι με τη διάσπαση των βαρέων ατομικών πυρήνων—όπως συμβαίνει στους σημερινούς πυρηνικούς σταθμούς—αλλά με τη σύντηξη ελαφρών πυρήνων μεταξύ τους. Η προσέγγιση είναι ελκυστική ως πηγή ενέργειας, επειδή το καύσιμο (υδρογόνο) είναι άφθονο και φθηνό και δεν δημιουργεί καμία ρύπανση ή πυρηνικά απόβλητα μακράς διάρκειας ζωής. Το πρόβλημα είναι ότι οι ατομικοί πυρήνες είναι θετικά φορτισμένοι και έτσι απωθούν ο ένας τον άλλον, επομένως είναι δύσκολο να τους πλησιάσουμε αρκετά ώστε να συντηχθούν. Για να πραγματοποιηθούν αρκετές αντιδράσεις, οι πυρήνες του υδρογόνου πρέπει να συγκρούονται με ταχύτητες έως και 1000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (km/s) και αυτό απαιτεί θέρμανση σε περισσότερους από 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Σε τέτοιες θερμοκρασίες, το αέριο γίνεται πλάσμα—πυρήνες και ηλεκτρόνια χτυπούν χωριστά—και η συγκράτηση του γίνεται πρόβλημα, γιατί αν αγγίξει την πλευρά του δοχείου του, θα το λιώσει αμέσως.
Οι επιστήμονες της σύντηξης εργάζονται για περισσότερα από 60 χρόνια για να βρουν έναν τρόπο να συγκρατήσουν το υπερκαυτό πλάσμα και να το θερμάνουν μέχρι να συντήξει. Σήμερα, οι περισσότερες προσπάθειες επικεντρώνονται σε μία από τις δύο προσεγγίσεις:Οι αντιδραστήρες Tokamak, όπως το διεθνές έργο σύντηξης ITER στη Γαλλία, διατηρούν ένα διάχυτο πλάσμα σταθερό για δευτερόλεπτα ή λεπτά τη φορά ενώ το θερμαίνουν στη θερμοκρασία σύντηξης. Οι συσκευές σύντηξης λέιζερ, όπως η Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης στην Καλιφόρνια, παίρνουν μια μικρή ποσότητα παγωμένου υδρογόνου και τη συνθλίβουν με έναν έντονο παλμό λέιζερ που διαρκεί μερικές δεκάδες δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να τη θερμάνει και να τη συμπιέσει. Καμία από τις δύο τεχνικές δεν έχει φτάσει ακόμη στο «κορυφή», το σημείο στο οποίο η ποσότητα ενέργειας που παράγεται από τις αντιδράσεις σύντηξης υπερβαίνει εκείνη που απαιτείται για τη θέρμανση και τον περιορισμό του πλάσματος εξαρχής.
Η τεχνική της Sandia είναι μία από τις πολλές που βρίσκονται στη μέση μεταξύ των άκρων της σύντηξης λέιζερ και της μαγνητικά περιορισμένης σύντηξης των tokamaks. Συνθλίβει το καύσιμο με γρήγορο παλμό, όπως στη σύντηξη λέιζερ, αλλά όχι τόσο γρήγορα και όχι σε τόσο υψηλή πυκνότητα. Γνωστή ως μαγνητισμένη αδρανειακή σύντηξη επένδυσης (MagLIF), η προσέγγιση περιλαμβάνει την τοποθέτηση καυσίμου σύντηξης (ένα αέριο του ισοτόπου υδρογόνου δευτερίου) μέσα σε ένα μικροσκοπικό μεταλλικό δοχείο διαμέτρου 5 χιλιοστών και ύψους 7,5 χιλιοστών. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τη μηχανή Z για να περάσουν έναν τεράστιο παλμό ρεύματος 19 εκατομμυρίων αμπέρ, διάρκειας μόλις 100 νανοδευτερόλεπτων, μέσα από το κουτί από πάνω προς τα κάτω. Αυτό δημιουργεί ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που συνθλίβει το δοχείο προς τα μέσα με ταχύτητα 70 km/s.
Ενώ συμβαίνει αυτό, οι ερευνητές κάνουν δύο άλλα πράγματα:Προθερμαίνουν το καύσιμο με έναν σύντομο παλμό λέιζερ και εφαρμόζουν ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, το οποίο λειτουργεί ως ζουρλομανδύα για να συγκρατεί το καύσιμο σύντηξης στη θέση του. Η σύνθλιψη του πλάσματος ενισχύει επίσης το περιοριστικό μαγνητικό πεδίο, από περίπου 10 tesla σε 10.000 tesla. Αυτό το πεδίο περιορισμού είναι το κλειδί, γιατί χωρίς αυτό δεν υπάρχει τίποτα που να συγκρατεί το υπερθερμασμένο πλάσμα στη θέση του εκτός από τη δική του εσωτερική αδράνεια. Μόλις σταματήσει η συμπίεση, θα αποσυναρμολογηθεί πριν προλάβει να αντιδράσει.
Οι ερευνητές της Sandia ανέφεραν αυτή την εβδομάδα στο Physical Review Letters ότι είχαν θερμάνει το πλάσμα στους περίπου 35 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και εντόπισαν περίπου 2 τρισεκατομμύρια νετρόνια που προέρχονταν από κάθε βολή. (Μία αντίδραση από τη σύντηξη δύο δευτερίων παράγει ήλιο-3 και ένα νετρόνιο.) Αν και το αποτέλεσμα δείχνει ότι λαμβάνει χώρα σημαντικός αριθμός αντιδράσεων—100 φορές όσες πέτυχε η ομάδα πριν από ένα χρόνο—η ομάδα θα χρειαστεί να παράγει 10.000 φορές τόσα για να επιτύχουν το breakeven. «Είναι καλή πρόοδος, αλλά μόνο μια αρχή», λέει ο ανώτερος επιστήμονας της Sandia, Mike Campbell. "Πρέπει να πάρουμε περισσότερη ενέργεια στο αέριο και να αυξήσουμε το αρχικό μαγνητικό πεδίο και να δούμε αν κλιμακώνεται προς τη σωστή κατεύθυνση."
Μια σημαντική πτυχή των αποτελεσμάτων είναι ότι οι ερευνητές εντόπισαν επίσης νετρόνια που προέρχονται από τη σύντηξη δευτερίου και τριτίου, ενός άλλου ισοτόπου υδρογόνου. Η κύρια αντίδραση, το δευτέριο με το δευτέριο, ή D-D, παράγει είτε ήλιο-3 είτε τρίτιο. Αυτά τα προϊόντα αντίδρασης κανονικά θα ταξιδεύουν αρκετά γρήγορα ώστε να πετάξουν έξω από το πλάσμα χωρίς να αντιδράσουν ξανά. Αλλά το έντονο περιοριστικό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει το τρίτιο να ακολουθήσει μια σφιχτή ελικοειδή διαδρομή στην οποία είναι πολύ πιο πιθανό να συγκρουστεί με ένα δευτέριο και να συντηχθεί ξανά. Οι ερευνητές εντόπισαν 10 δισεκατομμύρια νετρόνια από συντήξεις δευτερίου-τριτίου (D-T). "Για μένα, τα πιο ενδιαφέροντα δεδομένα ήταν τα δευτερεύοντα νετρόνια D-T, τα οποία υποδηλώνουν πολύ έντονα ότι το αρχικό πεδίο [10 tesla] ήταν παγωμένο στο πλάσμα και έφτασε σε τιμές [περίπου 9000 tesla] σε στασιμότητα", λέει ο Campbell.
«Είναι σπουδαία νέα», λέει ο Glen Wurden, ο επικεφαλής της ομάδας μαγνητισμένου πλάσματος στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό. Είναι εντυπωσιασμένος από «το γεγονός ότι παρατηρούνται δευτερεύοντα νετρόνια D-T… που σημαίνει ότι τουλάχιστον ορισμένοι [πυρήνες τριτίου] που παράγονται από το D-D επιβραδύνουν και αντιδρούν». Οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι το μέγιστο ρεύμα της μηχανής Z των 27 εκατομμυρίων αμπέρ θα πρέπει να είναι αρκετό για να φτάσει στο νεκρό σημείο. Αλλά οι ερευνητές βάζουν ήδη το βλέμμα τους πολύ ψηλότερα. Μια προσδοκώμενη αναβάθμιση στα 60 εκατομμύρια αμπέρ, λένε, θα ενίσχυε την ισχύ εξόδου σε μια σφαίρα "υψηλού κέρδους" 1000 φορές εισόδου—ένα τεράστιο βήμα προς την εμπορική βιωσιμότητα.
