Ο ευρωπαϊκός αντιδραστήρας σύντηξης σημειώνει ρεκόρ για βιώσιμη ενέργεια

Σε πειράματα με αποκορύφωμα την 40χρονη πορεία του Joint European Torus (JET), του μεγαλύτερου αντιδραστήρα σύντηξης στον κόσμο, οι ερευνητές ανακοίνωσαν σήμερα ότι κατέρριψαν το ρεκόρ για την παραγωγή ελεγχόμενης ενέργειας σύντηξης. Στις 21 Δεκεμβρίου 2021, το JET με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο θέρμανε ένα αέριο ισοτόπων υδρογόνου στους 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και το κράτησε σταθερό για 5 δευτερόλεπτα, ενώ οι πυρήνες συντήκονταν μεταξύ τους, απελευθερώνοντας 59 megajoules (MJ) ενέργειας—περίπου διπλάσια από την κινητική ενέργεια. φορτηγό ημιρυμουλκούμενο φορτηγό που ταξιδεύει με 160 χιλιόμετρα την ώρα. Η ενέργεια στον παλμό είναι περισσότερο από 2,5 φορές το προηγούμενο ρεκόρ των 22 MJ, που είχε θέσει το JET 25 χρόνια νωρίτερα. «Το να βλέπεις λήψεις στις οποίες διατηρεί υψηλή ισχύ για ολόκληρα 5 δευτερόλεπτα είναι εκπληκτικό», λέει ο Στίβεν Κάουλι, διευθυντής του Εργαστηρίου Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον (PPPL).

Ωστόσο, το επίτευγμα του JET δεν σημαίνει ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από σύντηξη θα ρέει στο δίκτυο σύντομα. Οι ερευνητές έπρεπε να βάλουν περίπου τριπλάσια ενέργεια στο αέριο από αυτή που παρήγαγε η αντίδραση. Αλλά το αποτέλεσμα τους δίνει εμπιστοσύνη στο σχεδιασμό του ITER, ενός γιγάντιου αντιδραστήρα σύντηξης υπό κατασκευή στη Γαλλία, ο οποίος υποτίθεται ότι αντλεί τουλάχιστον 10 φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι τροφοδοτείται. «Αυτά είναι πολύ καλά νέα για τον ITER», λέει Alberto Loarte, επικεφαλής του επιστημονικού τμήματος του ITER. "Επιβεβαιώνει έντονα τη στρατηγική μας."

Η σύντηξη έχει προωθηθεί εδώ και καιρό ως μελλοντική πηγή πράσινης ενέργειας. Εάν η ίδια πυρηνική αντίδραση που τροφοδοτεί τον Ήλιο μπορούσε να αντιγραφεί στη Γη, θα μπορούσε να παρέχει άφθονη ενέργεια με μικρές ποσότητες πυρηνικών αποβλήτων και χωρίς αέρια θερμοκηπίου. Αλλά η παραγωγή καθαρής ενέργειας έχει αποδειχθεί άπιαστη. Τον Αύγουστο του 2021, ερευνητές στο National Ignition Facility, που πυροδοτεί τη σύντηξη θερμαίνοντας και συνθλίβοντας μικροσκοπικά σφαιρίδια καυσίμου με 192 συγκλίνουσες ακτίνες λέιζερ, ανέφεραν ότι είχαν φτάσει στο 71% αυτού του σημείου νεκρού σημείου, πιο κοντά από οποιονδήποτε άλλον, αλλά μόνο για μια στιγμή.

Το JET και το ITER αντιπροσωπεύουν μια διαφορετική προσέγγιση, που είναι πιο κατάλληλη για βιώσιμη παραγωγή ενέργειας. Και τα δύο είναι tokamaks:δοχεία σε σχήμα ντόνατ τυλιγμένα σε ένα πλέγμα ισχυρών μαγνητών που συγκρατούν το υπερκαυτό ιονισμένο αέριο ή το πλάσμα στη θέση του και το εμποδίζουν να αγγίξει και να λιώσει τα τοιχώματα του αγγείου. Οι ερευνητές στη δεκαετία του 1980 πίστευαν ότι το JET και μια αντίπαλη μηχανή στο PPPL (τώρα αποσυναρμολογημένη) θα έφταναν γρήγορα στο νεκρό σημείο. Το JET πλησίασε το 1997, δημιουργώντας μια σύντομη έκρηξη 1,5 δευτερολέπτου που έφτασε τα δύο τρίτα της ισχύος εισόδου.

Αλλά η αργή πρόοδος ώθησε τους ερευνητές στη δεκαετία του 1990 να σχεδιάσουν το ITER, ένα γιγάντιο tokamak πλάτους 20 μέτρων που χωρά 10 φορές περισσότερο πλάσμα από το JET. Ένας μεγαλύτερος όγκος πλάσματος, όπως προέβλεπαν τα μοντέλα, θα διατηρούσε τις συνθήκες σύντηξης περισσότερο, καθιστώντας δυσκολότερη τη διαφυγή της θερμότητας. Ο ITER 25 δισεκατομμυρίων δολαρίων, που χρηματοδοτείται από την Κίνα, την Ευρωπαϊκή Ένωση, την Ινδία, την Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα, τη Ρωσία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, πρόκειται να ξεκινήσει να λειτουργεί το 2025, αλλά δεν θα παράγει μεγάλες ποσότητες ενέργειας μέχρι το 2035, οπότε και αναμένεται για να ξεκινήσει η καύση των ισοτόπων δευτερίου και τριτίου που παράγουν ενέργεια (D-T).

Η πρώιμη λειτουργία του JET δίδαξε στους σχεδιαστές του ITER ένα βασικό μάθημα. Το JET ήταν επενδεδυμένο με άνθρακα επειδή αντέχει στο λιώσιμο. Αλλά αποδείχτηκε ότι «ρουφάει το καύσιμο σαν σφουγγάρι», λέει η Fernanda Rimini, εμπειρογνώμονας σε λειτουργίες πλάσματος του JET. Έτσι, οι σχεδιαστές του ITER επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν τα μέταλλα βηρύλλιο και βολφράμιο.

Κανείς δεν ήξερε πώς θα είχαν, ωστόσο, και το JET παρείχε μια δοκιμαστική βάση. Ξεκινώντας το 2006, οι μηχανικοί αναβάθμισαν τους μαγνήτες, το σύστημα θέρμανσης πλάσματος και τον εσωτερικό τοίχο για να το κάνουν όσο το δυνατόν περισσότερο σαν ITER. Όταν ξεκίνησε ξανά το 2011, τα σημάδια δεν ήταν καλά, λέει ο Cowley, ο οποίος ήταν τότε διευθυντής του Culham Center for Fusion Energy, το οποίο διαχειρίζεται το JET για λογαριασμό του οργανισμού EuroFusion της Ευρωπαϊκής Ένωσης. "Δεν μπορούσαμε να μπούμε στα ίδια καθεστώτα [υψηλής ισχύος]."

Με επίπονο τρόπο, η ομάδα του JET εξέτασε τι συνέβαινε. Διαπίστωσαν ότι τα ιόντα πλάσματος υψηλής ενέργειας διώχνουν τα ιόντα βολφραμίου από τον τοίχο, αναγκάζοντάς τους να ακτινοβολούν ενέργεια και να αιμορραγούν τη θερμότητα έξω από το πλάσμα. Για πολλά χρόνια, η ομάδα επεξεργάστηκε μια στρατηγική αντιμετώπισης. Με την έγχυση ενός λεπτού στρώματος αερίου, όπως άζωτο, νέον ή αργό, κοντά στο τοίχωμα του αγγείου, θα μπορούσαν να ψύξουν το εξωτερικό άκρο του πλάσματος και να σταματήσουν τα ιόντα από το να χτυπήσουν το βολφράμιο. "Σιγά σιγά ανακτήσαμε την απόδοση", λέει ο Cowley.

Τον Σεπτέμβριο του 2021, οι ερευνητές του JET ξεκίνησαν να δουν τι θα μπορούσε να κάνει η επανασχεδιασμένη μηχανή τους. Αυτό σήμαινε αλλαγή καυσίμου, σε D-T. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες σύντηξης λειτουργούν με συνηθισμένο υδρογόνο ή δευτέριο, το οποίο τους επιτρέπει να εξερευνούν τη συμπεριφορά του πλάσματος αποφεύγοντας τις επιπλοκές του τριτίου, το οποίο είναι τόσο ραδιενεργό όσο και σπάνιο. Αλλά το προσωπικό του JET έψαχνε να δοκιμάσει τη μηχανή τους σε πραγματικές συνθήκες παραγωγής ενέργειας. Πρώτον, έπρεπε να αναβιώσουν τις εγκαταστάσεις χειρισμού τριτίου του αντιδραστήρα, που δεν χρησιμοποιήθηκαν για 2 δεκαετίες, οι οποίες εξάγουν άκαυστα ιόντα τριτίου και δευτερίου από τα απαέρια μετά από κάθε βολή και τα ανακυκλώνουν.

Οι πρόσφατες επιτυχίες έθεσαν τις βάσεις για το ITER και δείχνουν ότι το στοίχημα των σχεδιαστών του σε έναν ολόκληρο μεταλλικό τοίχο πρέπει να αποδώσει. «Αυτό επιβεβαιώνει ότι πήραμε το σωστό επίπεδο κινδύνου», λέει ο Loarte. Αλλά για το JET, το D-T run είναι κάτι σαν κύκνειο άσμα. Ο Joe Milnes, επικεφαλής των επιχειρήσεων του JET, λέει ότι ο αντιδραστήρας θα έχει μια ακόμη πειραματική λειτουργία, από τα μέσα του 2022 έως τα τέλη του 2023, πριν κλείσει. «Ήταν το πιο επιτυχημένο πείραμα σύντηξης ποτέ», λέει, αλλά ήρθε η ώρα «να δώσουμε τη σκυτάλη στον ITER».