Ο «κινεζικός τεχνητός Ήλιος» σπάει ένα ακόμη φράγμα στο δρόμο προς την απεριόριστη καθαρή ενέργεια

Όπως έγινε γνωστό ότι ο EAST ξεπέρασε ένα σημαντικό όριο της πυρηνικής σύντηξης εκτοξεύοντας πλάσμα (ιονισμένο αέριο) πέρα από το σύνηθες εύρος λειτουργίας του. Ο αντιδραστήρας διατήρησε σταθερό το πλάσμα σε ακραίες πυκνότητες κάτι που μέχρι πρότινος θεωρούνταν ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην ανάπτυξη της πυρηνικής σύντηξης σύμφωνα με ανακοίνωση της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.

«Τα ευρήματα υποδεικνύουν μια πρακτική και κλιμακούμενη πορεία για την επέκταση των ορίων πυκνότητας σε συσκευές σύντηξης επόμενης γενιάς με καύση πλάσματος» δήλωσε ο συνεπικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Πινγκ Ζου καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας.

Τα νέα ευρήματα που δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Science Advances» θα μπορούσαν να φέρουν το ανθρώπινο είδος ένα βήμα πιο κοντά στην αξιοποίηση αυτής της πηγής ενέργειας, την οποία ορισμένοι ερευνητές εκτιμούν ότι θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε μέσα στις επόμενες δεκαετίες.

Οφέλη και αμφιβολίες

Ωστόσο η τεχνολογία της πυρηνικής σύντηξης αναπτύσσεται εδώ και περισσότερα από 70 χρόνια και παραμένει σε μεγάλο βαθμό πειραματική με τους αντιδραστήρες συνήθως να καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από όση παράγουν.

Την ίδια στιγμή οι επιστήμονες του κλίματος ζητούν άμεσες και δραστικές μειώσεις στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου καθώς οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής γίνονται ήδη αισθητές παγκοσμίως. Ειδικοί λένε ότι η πυρηνική σύντηξη είναι απίθανο να αποτελέσει πρακτική λύση για την τρέχουσα κλιματική κρίση αν και θα μπορούσε να τροφοδοτεί τον κόσμο μας στο μέλλον.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης έχουν σχεδιαστεί για να συνενώνουν δύο ελαφρά άτομα σε ένα βαρύτερο μέσω θερμότητας και πίεσης παράγοντας ενέργεια με τρόπο παρόμοιο με αυτόν του Ήλιου. Ωστόσο ο Ήλιος διαθέτει πολύ μεγαλύτερη πίεση από τους επίγειους αντιδραστήρες, οπότε οι επιστήμονες αντισταθμίζουν αυτό το μειονέκτημα περιορίζοντας θερμό πλάσμα σε θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από εκείνες του Ήλιου.

Ο EAST της Κίνας είναι ένας αντιδραστήρας μαγνητικού περιορισμού, γνωστός ως τοκαμάκ, σχεδιασμένος να διατηρεί το πλάσμα σε συνεχή καύση για παρατεταμένες χρονικές περιόδους. Ο αντιδραστήρας θερμαίνει το πλάσμα και το παγιδεύει μέσα σε έναν θάλαμο σε σχήμα ντόνατ χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία. Οι αντιδραστήρες τοκαμάκ δεν έχουν ακόμη επιτύχει την ανάφλεξη σύντηξης, δηλαδή το σημείο στο οποίο η διαδικασία γίνεται αυτοσυντηρούμενη όμως ο EAST έχει αυξήσει τον χρόνο κατά τον οποίο μπορεί να διατηρεί έναν σταθερό και ισχυρά περιορισμένο βρόχο πλάσματος.

Το εμπόδιο

Ένα από τα βασικά εμπόδια για τους ερευνητές της σύντηξης είναι ένα όριο πυκνότητας γνωστό ως όριο Greenwald, πέρα από το οποίο το πλάσμα συνήθως γίνεται ασταθές. Το όριο αυτό αποτελεί πρόβλημα επειδή παρότι οι υψηλότερες πυκνότητες πλάσματος επιτρέπουν περισσότερες συγκρούσεις ατόμων και μειώνουν το ενεργειακό κόστος της ανάφλεξης, η αστάθεια τερματίζει τη διαδικασία της σύντηξης.

Για να ξεπεράσουν το όριο Greenwald οι επιστήμονες στον EAST διαχειρίστηκαν προσεκτικά την αλληλεπίδραση του πλάσματος με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, ελέγχοντας δύο βασικές παραμέτρους κατά την εκκίνηση του αντιδραστήρα: την αρχική πίεση του καυσίμου αερίου και τη θέρμανση μέσω ηλεκτρονικού κυκλοτρονικού συντονισμού, δηλαδή τη συχνότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια στο πλάσμα απορροφούν μικροκύματα. Με αυτόν τον τρόπο το πλάσμα παρέμεινε σταθερό σε ακραίες πυκνότητες από 1,3 έως 1,65 φορές πάνω από το όριο Greenwald, πολύ υψηλότερα από το συνηθισμένο εύρος λειτουργίας του τοκαμάκ που κυμαίνεται από 0,8 έως 1 σύμφωνα με τη μελέτη.

Δεν είναι η πρώτη φορά που παραβιάζεται το όριο Greenwald. Για παράδειγμα, το τοκαμάκ DIII-D του Εθνικού Εργαστηρίου Σύντηξης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Σαν Ντιέγκο το ξεπέρασε το 2022, ενώ το 2024 ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν στο Μάντισον ανακοίνωσαν ότι διατήρησαν σταθερό πλάσμα σε τοκαμάκ σε περίπου δέκα φορές το όριο Greenwald χρησιμοποιώντας μια πειραματική συσκευή.

Ωστόσο, η υπέρβαση στο EAST επέτρεψε στους ερευνητές να θερμάνουν το πλάσμα σε μια θεωρητική κατάσταση που ονομάζεται «καθεστώς χωρίς όριο πυκνότητας» για πρώτη φορά, όπου το πλάσμα παρέμεινε σταθερό καθώς η πυκνότητα αυξανόταν. Η έρευνα βασίζεται σε μια θεωρία που ονομάζεται αυτοοργάνωση πλάσματος και τοιχωμάτων, η οποία προτείνει ότι ένα τέτοιο καθεστώς είναι δυνατό όταν η αλληλεπίδραση μεταξύ του πλάσματος και των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα βρίσκεται σε προσεκτικά ισορροπημένη κατάσταση.

Η πρόοδος που σημειώθηκε στον EAST και στις Ηνωμένες Πολιτείες θα συμβάλει στην ανάπτυξη νέων αντιδραστήρων. Η Κίνα και οι ΗΠΑ συμμετέχουν και οι δύο στο πρόγραμμα Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα, γνωστό ως ITER, το οποίο αποτελεί συνεργασία δεκάδων χωρών για την κατασκευή στη Γαλλία του μεγαλύτερου τοκαμάκ στον κόσμο.

Ο ITER θα είναι ένας ακόμη πειραματικός αντιδραστήρας, σχεδιασμένος να επιτυγχάνει διατηρούμενη σύντηξη για ερευνητικούς σκοπούς, αλλά θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για σταθμούς παραγωγής ενέργειας από σύντηξη. Ο αντιδραστήρας ITER αναμένεται να αρχίσει να παράγει πλήρους κλίμακας αντιδράσεις σύντηξης το 2039.