Με ένα άγγιγμα καυσίμου θερμοπυρηνικής βόμβας, η μηχανή Z θα μπορούσε να παρέχει ενέργεια σύντηξης του μέλλοντος
Κάθε φορά που οι φυσικοί του πλάσματος στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στο Αλμπουκέρκη του Νέου Μεξικού πυροβολούν τον αντιδραστήρα σύντηξης τους, ένα μεγάλο κομμάτι του υλικού γίνεται καπνός. Η μηχανή Ζ τους περιέχει συστοιχίες πυκνωτών που γεμίζουν με περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από χίλιους κεραυνούς. Με το πάτημα ενός διακόπτη, 20 εκατομμύρια αμπέρ εκτινάσσονται προς έναν κύλινδρο γεμάτο καύσιμο στο μέγεθος μιας γόμας μολυβιού. Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί ένα συντριπτικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο πιέζει τον σωλήνα τόσο γρήγορα και με μανία που τα άτομα υδρογόνου στο εσωτερικό συντήκονται σε ήλιο, απελευθερώνοντας μια έκρηξη νετρονίων υψηλής ενέργειας και πυρήνων ηλίου (γνωστά ως σωματίδια). Η έκρηξη εξατμίζει το περίπλοκο υλικό που συγκρατεί τον μικροσκοπικό σωλήνα—10 κιλά στερεού μετάλλου. «Βασικά παραδίδουμε τρεις ράβδους ενέργειας δυναμίτη», λέει ο Mike Cuneo, διευθυντής του έργου. "Μετά, υπάρχει ένας κρατήρας πλάτους ενός ποδιού."
Οι φυσικοί ετοιμάζονται τώρα να κάνουν ακόμα μεγαλύτερες κρίσεις προσθέτοντας ένα πολύτιμο καύσιμο, που χρησιμοποιείται στα θερμοπυρηνικά όπλα, που εγκυμονεί κινδύνους και ανταμοιβές. Υπολογισμοί, προσομοιώσεις και πειραματικά αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν τα τελευταία χρόνια υποδηλώνουν ότι η μηχανή του Sandia θα μπορούσε να προσφέρει μια ταχύτερη και φθηνότερη διαδρομή για αυτοσυντηρούμενη σύντηξη από άλλες προσεγγίσεις που εκτοξεύουν το καύσιμο με λέιζερ ή το παγιδεύουν σε αντιδραστήρες που ονομάζονται tokamaks. Αλλά μέχρι στιγμής η μηχανή Ζ έχει εξαπολύσει τη μανία της κυρίως στο δευτέριο (ένα υδρογόνο με ένα νετρόνιο στον πυρήνα του), το οποίο απελευθερώνει περιορισμένες ποσότητες ενέργειας σύντηξης. Τον Αύγουστο, ωστόσο, οι ερευνητές πρόσθεσαν μια δόση τριτίου—υδρογόνου με δύο νετρόνια. Μέσα στα επόμενα 5 χρόνια, οι δοκιμές θα αυξηθούν σταδιακά σε ένα μείγμα 50-50 δευτερίου και τριτίου (DT).
Η σύντηξη καυσίμου 50-50 DT απελευθερώνει 60 έως 90 φορές περισσότερα νετρόνια από τη σύντηξη μόνο δευτερίου, και καθένα από τα νετρόνια και τα σωματίδια α που εκτοξεύονται από τη σύντηξη DT φέρουν περισσότερο από τέσσερις φορές την ενέργεια από τα αντίστοιχά τους μόνο δευτερίου. Καθώς τα επίπεδα τριτίου στο καύσιμο αυξάνονται στο 50%, οι ενεργειακές αποδόσεις θα πρέπει να αυξηθούν στα ύψη.
Άλλες προσπάθειες σύντηξης ακολούθησαν τον ίδιο δρόμο. Το 1997, το Joint European Torus (JET), ένα tokamak στο Abingdon του Ηνωμένου Βασιλείου, έκαψε 50-50 DT για να παράγει 16 μεγαβάτ ισχύος, αν και για λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η λήψη σημείωσε ένα ρεκόρ για την παραγωγή ισχύος σύντηξης που εξακολουθεί να ισχύει σήμερα. Αλλά ο γραφίτης στα τοιχώματα του αντιδραστήρα του JET περιόρισε την παραγωγή. «Ο άνθρακας είναι σαν ένα σφουγγάρι για το τρίτιο, επομένως περίπου το 17% του τριτίου που εγχύαμε κόλλησε στον τοίχο», θυμάται ο Xavier Litaudon, ο οποίος είναι επικεφαλής του τμήματος φυσικής του ITER στην Οξφόρδη, στο Ηνωμένο Βασίλειο, και τώρα ασκεί πιέσεις για να επεκτείνει τη χρηματοδότηση του JET ώστε να συμπεριλάβει νέος γύρος πειραμάτων DT το 2019. Το ITER, το υπερπροϋπολογισμένο και καθυστερημένο διεθνές tokamak υπό κατασκευή κοντά στο Cadarache στη Γαλλία, έχει στοιχηματίσει να χρησιμοποιήσει τελικά το DT για την απελευθέρωση πολύ περισσότερης ενέργειας από τη σύντηξη από ό,τι διατίθεται.
Σε αντίθεση με ένα τοκαμάκ, το οποίο χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία για να σταθεροποιήσει έναν καυτό δακτύλιο ζεστού πλάσματος, το μηχάνημα Ζ βασίζεται στην αδράνεια και σε ένα μαγνητικό κλουβί για να συγκρατήσει το υπερθερμασμένο καύσιμο κατά τη διάρκεια βολών μικρού δευτερολέπτου. Η προσέγγιση, που ονομάζεται μαγνητο-αδρανειακή σύντηξη, μοιράζεται περισσότερα κοινά με τις προσπάθειες σύντηξης όπως αυτή στο National Ignition Facility (NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, όπου λέιζερ τρισεκατομμυρίων watt κολλούν σφαιρίδια καυσίμου για να προκαλέσουν σύντηξη. Οι επιστήμονες της Sandia και της NIF δεν χρειάζεται να ανησυχούν για την απώλεια τριτίου στον γραφίτη, επειδή σε αντίθεση με τα tokamaks, οι μηχανές τους δεν έχουν τοιχώματα. Επιπλέον, ο Cuneo λέει ότι, σε αντίθεση με το NIF, το μαγνητικό πεδίο της μηχανής Z μπορεί να επιβραδύνει τα αναδυόμενα σωματίδια α και να τα παγιδεύσει κατά μήκος των γραμμών πεδίου, διοχετεύοντας περισσότερη ενέργεια για τη διατήρηση της σύντηξης.
Το Sandia είναι ένα από τα τρία μόνο κέντρα σύντηξης που χρησιμοποιούν αυτήν τη στιγμή DT (βλ. πίνακα, παρακάτω). Ένα θέμα είναι το κόστος. Το τρίτιο κοστίζει δεκάδες χιλιάδες δολάρια το γραμμάριο, επειδή δεν υπάρχει φυσικός χώρος αποθήκευσης του υλικού. παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ως υποπροϊόν της σχάσης.
Ένα άλλο θέμα είναι η ασφάλεια. "Το τρίτιο είναι ήπια ραδιενεργό - έχει χρόνο ημιζωής 12 ετών - επομένως οι κανονισμοί απαιτούν να το χειρίζεστε πολύ προσεκτικά", λέει ο Rich Hawryluk, ερευνητής στο Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) στο New Jersey. Επιπλέον, τα νετρόνια από τη σύντηξη DT χτυπούν σε χαλύβδινα μέρη και τα καθιστούν ελαφρώς ραδιενεργά. Έτσι, όταν το PPPL έκλεισε έναν αντιδραστήρα μετά τη λειτουργία DT του στη δεκαετία του 1990, το δοχείο μεγέθους δωματίου γέμισε με σκυρόδεμα, κόπηκε σε φέτες και θάφτηκε στην πυρηνική κράτηση Hanford στην πολιτεία της Ουάσιγκτον.
Παρουσία νερού, συμπεριλαμβανομένης της υγρασίας στον αέρα, το τρίτιο μπορεί να σχηματίσει τριτιωμένο νερό, το οποίο είναι τουλάχιστον δέκα χιλιάδες φορές πιο βιολογικά επικίνδυνο από το καθαρό T2 αέριο, λέει ο Hawryluk. Αυτό είναι μια ιδιαίτερη ανησυχία στη μηχανή Z, η οποία μονώνει ηλεκτρικά εξαρτήματα σε δεξαμενές λαδιού και νερού. "Δεν θέλουμε να μπει τρίτιο σε αυτά", λέει ο Cuneo.
Στο NIF, το τρίτιο παρουσιάζει λιγότερους κινδύνους επειδή περιέχεται σε μια μικροσκοπική σφαίρα κατά τη μεταφορά και οι εργαζόμενοι δεν εισέρχονται συχνά στο εσωτερικό του μηχανήματος. Η κάψουλα της Sandia, αντίθετα, είναι ανοιχτή και στα δύο άκρα και η βίαιη έκρηξη αναμειγνύει άκαυτο τρίτιο με εξατμισμένο μέταλλο που ψεκάζεται παντού. "Οι άνθρωποι πρέπει να μπαίνουν μέσα και να αντικαθιστούν πλήρως το κέντρο του γκαζιού μετά από κάθε βολή", λέει ο Cuneo.
Η Sandia ωστόσο προχωρά με το τρίτιο, εν μέρει επειδή παράγει επιπλέον νετρόνια που αποκαλύπτουν τι συμβαίνει στο πιο καυτό, πυκνότερο μέρος του βραχύβιου πλάσματος, όπου η φυσική δεν είναι τόσο καλά κατανοητή. Σε τρεις προγραμματισμένες βολές το επόμενο έτος, λέει ο Cuneo, θα αφαιρέσουν ένα σύστημα περιορισμού τριτίου γύρω από τον στόχο τόσο για να δοκιμάσουν ένα σύστημα ασφαλείας καθαρισμού αέρα όσο και για να έχουν μια πιο καθαρή εικόνα των νετρονίων.
«Είμαστε ενθουσιασμένοι με τα πρόσφατα αποτελέσματα, παρόλο που είναι μόλις το ένα δέκατο του τοις εκατό τρίτιο», προσθέτει. "Υπήρχε ένα εμπόδιο στην πεποίθηση ότι θα μπορούσαμε ποτέ να χρησιμοποιήσουμε τρίτιο."
*Διόρθωση, 17 Νοεμβρίου, 9:44 π.μ.: Μια προηγούμενη έκδοση αυτής της ιστορίας υπερεκτίμησε λανθασμένα την ποσότητα τριτίου που απορροφάται από τα τοιχώματα γραφίτη του JET tokamak.
