Ελπιδοφόρα ενεργειακά μηνύματα: πυρηνική σύντηξη

του Θεόδωρου Μερτζιμέκη, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής του ΕΚΠΑ

Καθώς η πυρηνική ενέργεια έχει αρχίσει να επανέρχεται δυναμικά στο προσκήνιο ως “πράσινη” ενέργεια και ως ενεργός τρόπος αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής, με κύριο πλεονέκτημα τη δυνατότητα αδιάλειπτης προσφοράς μεγάλων ενεργειακών ποσών τα οποία έχει ανάγκη ο πλανήτης σήμερα χωρίς ταυτόχρονη εκπομπή CO2, νέα σημαντικά τεχνολογικά επιτεύγματα έρχονται να ενισχύσουν τη σχετική επιχειρηματολογία.

Δεκαετίες έρευνας στις καινοτόμες τεχνολογίες για την ανάπτυξη της πυρηνικής σύντηξης, του φαινομένου που είναι υπεύθυνο για την ενέργεια του Ήλιου μας, έχουν αρχίσει να αποδίδουν ενισχύοντας τις προοπτικές για παραγωγή πυρηνικής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα, χωρίς την ταυτόχρονη δημιουργία πυρηνικών καταλοίπων, τα οποία συνοδεύουν το φαινόμενο πυρηνικής σχάσης με το οποίο λειτουργούν πάνω από 450 αντιδραστήρες παγκοσμίως. Η πυρηνική σύντηξη δημιουργεί πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας ενώνοντας (“συντήκοντας”) άτομα υδρογόνου, δημιουργώντας άτομα του ευγενούς αερίου ηλίου, αποφεύγοντας έτσι τη δημιουργία δυνητικά επικίνδυνων ραδιενεργών καταλοίπων που απαιτούν προσεκτική διαχείριση για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Στο πλαίσιο αυτών των ερευνητικών δραστηριοτήτων στην ευρωπαϊκή πειραματική υποδομής σύντηξης JET (Joint European Torus) στο Culham του Ηνωμένου Βασιλείου ανακοινώθηκε στις 9 Φεβρουαρίου 2022 [1,2] η υπέρβαση ενός ρεκόρ παραγωγής ενέργειας από πυρηνική σύντηξη, για πρώτη φορά μετά από 24 έτη, υπερδιπλασιάζοντας την παρεχόμενη ισχύ της διάταξης. Η σημαντική αυτή υπέρβαση παρείχε 59 MJ ενέργειας σε παλμό διάρκειας 5 δευτερολέπτων έναντι των 21.7 MJ σε παλμό διάρκειας 4 δευτερολέπτων το 1997. Για την υπέρβαση χρησιμοποιήθηκε ένα τροποποιημένο δείγμα αρχικών πυρήνων, συνδυάζοντας δευτέριο και τρίτιο (και τα δύο είναι ισότοπα του υδρογόνου), το οποίο κατά τη σύντηξη παράγει διπλάσιο αριθμό νετρονίων και αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο την ενεργειακή παραγωγή. Η εκπομπή περισσοτέρων νετρονίων έχει όμως κι ως αποτέλεσμα την αυξημένη κόπωση των ειδικά κατασκευασμένων κραμάτων που επικαλύπτουν τον εσωτερικό θάλαμο πλάσματος που συντηρεί τη σύντηξη (βλ. Εικ. 1), καθιστώντας δυσκολότερη την άμεση επαναλειτουργία της διάταξης.

Η επίτευξη του νέου ρεκόρ απέχει αρκετά ακόμη από το να καταστήσει τη χρήση τής σύντηξης ως μηχανισμό παραγωγής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα και με θετικό ισοζύγιο (να παράγει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει), όμως στέλνει ελπιδοφόρα μηνύματα για την προοπτική και τους στόχους της νέας πειραματικής υποδομής σύντηξης ITER (International Thermonuclear Energy Reactor) που κατασκευάζεται στο Cadarache της Νότιας Γαλλίας (Εικ. 2) με χρηματοδότηση που ξεπερνά τα 20 δις ευρώ από την Ευρωπαϊκή Ένωση και έντονη εργασία από τη διεθνή ερευνητική συνεργασία EUROfusion.

Στο ITER, θα εφαρμοσθεί ο σχεδιασμός που συγκεντρώνει την υπάρχουσα γνώση από τις πειραματικές και θεωρητικές μελέτης της σύντηξης, ενσωματώνοντας τα πρόσφατα δεδομένα από το JET σε συνδυασμό με τους αλγόριθμους προσομοίωσης του φυσικού φαινομένου εντός της διάταξης. Ανάμεσα σε άλλα, ο σχεδιασμός περιλαμβάνει αυξημένη ενεργειακή απόδοση, προηγμένα υλικά με αναβαθμισμένες θερμικές, μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, καθώς και καλύτερη διαχείριση των παλμών πλάσματος. Το ITER θα προσφέρει 10 φορές μεγαλύτερο όγκο θαλάμου από αυτόν στο JET, με επιστρώσεις ανθεκτικές στις συνθήκες έντονης ακτινοβολίας και θερμότητας, όπως αυτές που επικρατούν στον Ήλιο, με αντίστοιχη ενίσχυση του προσφερόμενου ισοζυγίου. Ταυτόχρονα, θα αποτελέσει τον πρωτότυπο πειραματικό αντιδραστήρα βάσει του οποίου θα δομηθεί η επόμενη γενιά αντιδραστήρων (DEMO) που στοχεύουν στο να προσφέρουν απρόσκοπτα θετικό ισοζύγιο παραγωγής ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης.

Το ΕΚΠΑ έχει να επιδείξει ενεργή συμμετοχή στις έρευνες για την πυρηνική σύντηξη είτε μέσω θεωρητικών υπολογισμών και προσομοιώσεων [3,4], είτε μέσω πειραματικών διερευνήσεων με ιοντικές δέσμες σε επιταχυντή σωματιδίων [5].

Σχετικά άρθρα

1. BBC News, Major breakthrough on nuclear fusion energy, 9 Feb 2022, url: https://www.bbc.com/news/science-environment-60312633
2. Nature Briefing, Nuclear-fusion reactor smashes energy record, 9 Feb 2022, doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00391-1
3. Modeling of parasitic oscillations in smooth-wall circular symmetric dielectric-loaded gyrotron beam ducts, Physics of Plasmas 26, 123108 (2019); doi: https://doi.org/10.1063/1.5130637
4. T. Franke et al., Integration concept of an electron cyclotron system in DEMO, Fusion Engineering and Design 168, 112653 (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112653
5. A. Lagoyannis et al., Surface composition and structure of divertor tiles following the JET tokamak operation with the ITER-like wall, Nuclear Fusion 57, 076027 (2017), doi: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6ec1