ΝΕΑ VIDEO NEA PHOTO NEA

 | 

Σημαντικό επιστημονικό επίτευγμα στην πυρηνική σύντηξη

 

Credit: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory

πληροφορίες από Εθνος, in.gr, CNN

Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν σήμερα ότι πέτυχαν ένα «τεράστιο επιστημονικό επίτευγμα» στον τομέα της πυρηνικής σύντηξης, μια μέθοδος που θα μπορούσε κάποια μέρα να φέρει επανάσταση στην παραγωγή ενέργειας στη Γη.

Σε ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε την περασμένη εβδομάδα «παρήχθη από τη σύντηξη περισσότερη ενέργεια από όση κατανάλωσαν τα λέιζερ» που χρησιμοποιήθηκαν, εξήγησε το εργαστήριο Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) της Καλιφόρνια το οποίο υπάγεται στο υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

Το άλμα που θα αλλάξει τον κόσμο

Η πυρηνική σύντηξη, εφόσον κάνει το άλμα από τα επιστημονικά εργαστήρια στην εμπορική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τις επόμενες δεκαετίες, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.

Σύμφωνα με το υπουργείο Ενέργειας, το πείραμα έγινε στις 5 Δεκεμβρίου και για πρώτη φορά οι επιστήμονες του LLNL πέτυχαν να παραχθεί καθαρό κέρδος (net gain) ενέργειας από τη σύντηξη δύο ελαφρών ατόμων υδρογόνου σε ένα βαρύτερο.

Η Αράτι Πραμπάκαρ, η διευθύντρια του Γραφείου Επιστημών και Τεχνολογίας του Λευκού Οίκου, είπε ότι το πείραμα συνιστά «ένα τεράστιο παράδειγμα του τι μπορούμε να επιτύχουμε με την επιμονή».

Πειράματα δεκαετιών

Η σύντηξη είναι η αντίδραση που τροφοδοτεί τον Ήλιο και οι επιστήμονες επιδίωκαν εδώ και δεκαετίες να την επιτύχουν και στη Γη.

Πυρηνικοί επιστήμονες εκτός του LLNL είπαν ότι το επίτευγμα αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα, όμως απομένουν ακόμη να γίνουν πολλά μέχρι να καταστεί η σύντηξη εμπορικά βιώσιμη.

 Ο Τόνι Ράουλστοουν, ειδικός σε θέματα πυρηνικής ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, εκτιμά ότι η παραγωγή ενέργειας στο πείραμα ήταν μόλις το 0,5% της ενέργειας που χρειάστηκε για να τεθούν αρχικά σε λειτουργία τα λέιζερ. «Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι το αποτέλεσμα αυτό (…) είναι μια επιτυχία για την επιστήμη. Όμως ακόμη είναι πολύ μακριά από την παραγωγή χρήσιμης, άφθονης, καθαρής ενέργειας», σχολίασε.

Η βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας χαιρέτισε επιφυλακτικά την πρόοδο αυτή, τονίζοντας όμως ότι για να επιτευχθεί η ενεργειακή μετάβαση η σύντηξη δεν θα πρέπει να επιβραδύνει τις προσπάθειες για την προώθηση άλλων εναλλακτικών λύσεων, όπως είναι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια και η πυρηνική σχάση. «Είναι το πρώτο βήμα που μας λέει ότι ‘Ναι, δεν είναι απλώς μια φαντασία, μπορεί να γίνει, θεωρητικά’» σχολίασε ο Άντριου Σόουντερ, ειδικός σε θέματα τεχνολογίας στο EPRI, έναν μη κερδοσκοπικό οργανισμό ενεργειακής έρευνας και ανάπτυξης.

Τι είναι πυρηνική σύντηξη (nuclear fusion) και γιατί είναι σημαντική;

Πρόκειται για μία τεχνητή διαδικασία που αναπαράγει την ίδια ενέργεια που τροφοδοτεί τον ήλιο. Συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα άτομα συγχωνεύονται σε ένα μεγαλύτερο. Όταν συμβαίνει αυτό, παράγεται τεράστια ποσότητα θερμικής ενέργειας.

Σε όλο τον κόσμο οι επιστήμονες μελετούν την πυρηνική σύντηξη εδώ και δεκαετίες, και ελπίζουν ότι, μέσω αυτής θα καταφέρουν να αναδημιουργήσουν νέες πηγές που θα παράγουν απεριόριστη ενέργεια χωρίς τη χρήση άνθρακα και, συνεπώς, χωρίς τα πυρηνικά απόβλητα που παράγουν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες. Για τη διαδικασία της σύντηξης χρησιμοποιούνται κυρίως τα στοιχεία δευτέριο και τρίτιο, που είναι, και τα δύο, ισότοπα του υδρογόνου.

Και αν όλα αυτά δεν γίνονται ακριβώς κατανοητά, το δευτέριο που περιέχεται σε ένα ποτήρι νερό, με την προσθήκη μικρής ποσότητας τριτίου, θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τις ενεργειακές ανάγκες ενός σπιτιού για έναν ολόκληρο χρόνο. Το τρίτιο είναι ένα στοιχείο εξαιρετικά σπάνιο στη Γη και, άρα, πολύ πιο δύσκολο να αποκτηθεί, ωστόσο, μπορεί να παραχθεί συνθετικά.

«Σε αντίθεση με τον άνθρακα, θα χρειαζόσασταν μόνο μία μικρή ποσότητα υδρογόνου, το οποίο είναι και το στοιχείο με τη μεγαλύτερη αφθονία στο σύμπαν», εξηγεί ο επικεφαλής επιστήμονας της Carbon Direct και πρώην επικεφαλής τεχνολόγος ενέργειας στο Lawrence Livermore, Julio Friedmann. «Το υδρογόνο απαντάται στο νερό, οπότε το βασικό υλικό που παράγει αυτή την ενέργεια είναι απεριόριστο και καθαρό», σημειώνει.

Σε τι διαφέρει η πυρηνική σύντηξη από τη διαδικασία της σχάσης;

Όταν σκεφτόμαστε την πυρηνική ενέργεια, στο μυαλό μάς έρχονται πύργοι ψύξης και «μανιτάρια». Η σύντηξη είναι μία εντελώς διαφορετική διαδικασία.

Η σχάση, που χρησιμοποιείται σήμερα για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας, είναι ουσιαστικά η διαδικασία διάσπασης ενός ατόμου σε δύο ή περισσότερα. Με αυτό τον τρόπο τροφοδοτούνται οι πυρηνικοί αντιδραστήρες σε όλο τον κόσμο αυτή τη στιγμή. Η θερμότητα που δημιουργείται από τη διάσπαση των ατόμων χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας. Η σύντηξη λειτουργεί με τον ακριβώς αντίθετο τρόπο – συγχωνεύει, δηλαδή, μεταξύ τους, δύο ή περισσότερα άτομα, με αποτέλεσμα την παραγωγή ενέργειας.

Σύμφωνα με το υπουργείο ενέργειας των ΗΠΑ, η παραγωγή ενέργειας με τη διαδικασία της σχάσης έχει, μεν, μηδενικές εκπομπές, ωστόσο ενέχει κινδύνους για την ασφάλεια καθώς παράγει και ραδιενεργά απόβλητα των οποίων η αποθήκευση πρέπει να γίνεται υπό πολύ συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Στην ιστορία, αν και σπάνια τα πυρηνικά ατυχήματα, όπως αυτά στους αντιδραστήρες της Φουκουσίμα και του Τσέρνομπιλ είχαν εκτεταμένες και θανατηφόρες συνέπειες. Αυτούς τους κινδύνους για την ασφάλεια μηδενίζει η σύντηξη. Επιπλέον, για την παραγωγή ενέργειας μέσω αυτής, και την τροφοδότηση της όλης διαδικασίας, χρησιμοποιούνται υλικά με πολύ μικρότερο χρόνο ημιζωής.

Θα μπορούσε, τελικά, η πυρηνική σύντηξη να παράγει την ενέργεια αρκετή για την τροφοδότηση των σπιτιών μας;

Για τη διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι. Και οι δύο, ωστόσο, έχουν το ίδιο αποτέλεσμα. Η σύντηξη δύο ατόμων έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή τεράστιας ποσότητας θερμότητας, η οποία είναι και το «κλειδί» για την παραγωγή ενέργειας. Αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του νερού, τη δημιουργία ατμών αλλά και την περιστροφή στροβίλων, οι οποίοι, με τη σειρά τους, παράγουν ενέργεια. Αυτά όλα η ανθρωπότητα, μέχρι στιγμής, τα εξασφαλίζει μέσω της σχάσης.

Η μεγάλη πρόκληση είναι η αξιοποίηση της πυρηνικής σύντηξης στην παραγωγή και τη διατήρηση της ενέργειας που παράγεται για μεγάλα χρονικά διαστήματα, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην τροφοδότηση ηλεκτρικών δικτύων και συστημάτων θέρμανσης σε όλο τον κόσμο. Η επιτυχία στην έρευνα και η ανακάλυψη των Αμερικανών επιστημόνων είναι μεγάλη υπόθεση, ωστόσο, προς το παρόν, είναι σε πολύ μικρότερη κλίμακα από αυτή που θα απαιτούνταν για την παραγωγή ενέργειας επαρκούς για τη λειτουργία ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, πόσο μάλλον δεκάδων χιλιάδων σταθμών.

Όπως εξήγησε ο συνδιευθυντής του Κέντρου Μελετών Αδρανειακής Σύντηξης στο Imperial College του Λονδίνου, Jeremy Chittenden, αυτή τη στιγμή, η παραγωγή ενέργειας μέσω της πυρηνικής σύντηξης «αρκεί για να βράσουν περίπου 10 ηλεκτρικοί βραστήρες με νερό. Για να μετατρέψουμε αυτό το μέγεθος σε σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, θα πρέπει το ενεργειακό κέρδος μας από τη διαδικασία να είναι σημαντικά μεγαλύτερο».

Γιατί είναι σημαντική η επικείμενη ανακοίνωση του αρμόδιου υπουργείου των ΗΠΑ;

Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες παράγουν με επιτυχία μία αντίδραση πυρηνικής σύντηξης η οποία, με τη σειρά της, παράγει καθαρό ενεργειακό κέρδος, αντί για ισοζύγιο, που υπήρξε το αποτέλεσμα των προηγούμενων ερευνών. Αν και είναι πολλά τα βήματα που απαιτείται να γίνουν, μέχρι η διαδικασία να γίνει εμπορικά βιώσιμη, είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την επιστημονική κοινότητα να δείξει ότι μπορεί να δημιουργήσει μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας από αυτές που είχαν στη διάθεσή τους στην αρχή των ερευνών. Διαφορετικά, η ανάπτυξη της σύντηξης δεν έχει νόημα.

«Είναι ιδιαίτερα σημαντική ανακάλυψη γιατί, από ενεργειακής άποψης, μία πηγή θα πρέπει να παράγει περισσότερη ενέργεια απ’ όση απαιτείται για τη λειτουργία της», δήλωσε ο Friedmann στο CNN. «Όλες οι προηγούμενες σχετικές ανακαλύψεις υπήρξαν σημαντικές, αλλά όχι εξίσου με αυτή της παραγωγής ενέργειας που θα μπορούσε μία μέρα να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα».

Πού πραγματοποιείται αυτή τη στιγμή η σύντηξη;

Στις ΗΠΑ, τη Βρετανία και την Ευρώπη, είναι σε εξέλιξη αρκετά έργα παραγωγής σύντηξης. Στη Γαλλία λειτουργεί ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας, στις εγκαταστάσεις του οποίου συνεργάζονται 35 χώρες – μεταξύ των οποίοι οι Κίνα, ΗΠΑ, ΕΕ, Ρωσία, Ινδία, Ιαπωνία και Νότια Κορέα. Μεγάλο μέρος των εργασιών στις ΗΠΑ, πραγματοποιείται στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, σε ένα κτίριο που εκτείνεται σε μέγεθος τριών γηπέδων ποδοσφαίρου.

Στις εγκαταστάσεις του National Ignition Facility δημιουργείται ενέργεια μέσω της πυρηνικής σύντηξης με τη διαδικασία που είναι γνωστή ως «θερμοπυρηνική αδρανειακή σύντηξη». Στην πράξη, αυτό που κάνουν οι Αμερικανοί επιστήμονες, είναι να πυροδοτούν σφαιρίδια που περιέχουν καύσιμο υδρογόνο σε μια συστοιχία από σχεδόν 200 λέιζερ δημιουργώντας, ουσιαστικά, σειρά εξαιρετικά γρήγορων, επαναλαμβανόμενων εκρήξεων που φτάνουν τις 50 φορές το δευτερόλεπτο. Η ενέργεια που παράγεται από τα νετρόνια και τα σωματίδια άλφα εξάγεται ως θερμότητα.

Στο Ηνωμένο Βασίλειο και στο πρόγραμμα ITER στη Γαλλία, οι επιστήμονες εργάζονται με τεράστιες μηχανές σχήματος σαμπρέλας οι οποίες είναι εξοπλισμένες με γιγαντιαίους μαγνήτες που ονομάζονται tokamak, προκειμένου να παράγου το ίδιο αποτέλεσμα. Καύσιμο τοποθετείται στο tokamak, του οποίου οι μαγνήτες ενεργοποιούνται με αποτέλεσμα η θερμοκρασία στο εσωτερικό του να αυξάνεται εκθετικά για τη δημιουργία πλάσματος.

Το πλάσμα θα πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία τουλάχιστον 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, 10 φορές μεγαλύτερο μέγεθος από αυτό του πυρήνα του ήλιου. Τα νετρόνια διαφεύγουν, στη συνέχεια, από το πλάσμα, και προσκρούουν σε μία «κουβέρτα» με την οποία έχουν επενδυθεί τα τοιχώματα του tokamak, μεταφέροντας την κινητική τους ενέργεια ως θερμότητα.

Ποια είναι τα επόμενα βήματα;

Επόμενος στόχος επιστημόνων και ειδικών είναι να βρεθεί ο τρόπος για την παραγωγή, μέσω πυρηνικής σύντηξης, πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων ενέργειας και σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να βρεθεί τρόπος να μειωθεί τελικά το κόστος της σύντηξης για την εμπορική της ανάπτυξη.

«Αυτή τη στιγμή απαιτούνται τεράστιες ποσότητες χρόνου και χρημάτων για κάθε πείραμα. Το κόστος πρέπει να μειωθεί κατά πολύ», σημειώνει ο Chittenden. Επιπλέον, οι επιστήμονες θα πρέπει να συλλέξουν την ενέργεια που παράγεται από τη σύντηξη και να τη μεταφέρουν στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ως ηλεκτρισμό. Θα χρειαστούν χρόνια -ενδεχομένως και δεκαετίες- μέχρι να είναι σε θέση να παράγουν απεριόριστες ποσότητες καθαρής ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης, ενώ, ταυτόχρονα, η επιστημονική κοινότητα βρίσκεται σε έναν αγώνα δρόμου ενάντια στον χρόνο που μετράει αντίστροφα για την αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης.

(Η πυρηνική σύντηξη) «δε θα συμβάλλει ουσιαστικά στη μείωση της κλιματικής κρίσης για τα επόμενα 20 – 30 χρόνια», εξηγεί ο Friedmann. «Η διαφορά των μεγεθών στην οποία αναφερόμαστε είναι αντίστοιχη αυτής του ανάμματος ενός σπίρτου με την κατασκευή μίας τουρμπίνας αερίου».

πηγή: ethnos.gr

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7