H πυρηνική σύντηξη προσελκύει το επενδυτικό ενδιαφέρον ως μορφή εναλλακτικής ενέργειας

Δημοσιεύτηκε από Rita Theologi 23/05/2019 0 Σχόλια The Economist,

Το 1920 ο Άγγλος αστροφυσικός Άρθουρ Έντινγκτον, έδωσε διάλεξη στη Βρετανική Ένωση για την Προώθηση της Επιστήμης στην εσωτερική δομή των αστεριών. Μεταξύ άλλων, υπέθεσε ότι αυτό που κάνει τον ήλιο να λάμπει - μείζον θέμα συζήτησης για την εποχή - ήταν κάποιο είδος πυρηνικής αντίδρασης. “Αυτή η δεξαμενή”, είπε, “δεν μπορεί να είναι άλλη από την υποατομική ενέργεια η οποία ως γνωστόν υπάρχει σε αφθονία σε κάθε μορφή ύλης. Είναι γεγονός, ονειρευόμαστε ότι θα έρθει μια μέρα που θα μπορούμε να την “απελευθερώσουμε” και να την χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας. Η ποσότητά της είναι σχεδόν ανεξάντλητη, μακάρι να μπορούσε να χρησιμοποιηθεί... "

 

Ο Έντινγκτον υπολόγισε ότι η εν λόγω ενέργεια απελευθερώνεται από τους πυρήνες των ατόμων υδρογόνου που συντήκονται για να σχηματίσουν τους πυρήνες των ατόμων του ηλίου. Ήξερε ότι ένας πυρήνας ηλίου ζυγίζει ελαφρώς λιγότερο από τέσσερις πυρήνες υδρογόνου και υποψιαζόταν ότι η διαφορά, μετατρεπόμενη σε ενέργεια σύμφωνα με τον τύπο που ανακάλυψε τότε E = mc2, θα ήταν αρκετή για να τροφοδοτήσει τον ήλιο. Είχε δίκιο και η ιδέα του περί εκμετάλλευσης αυτής της ενέργειας ήταν επίσης σωστή. Μέχρι σήμερα οι επιστήμονες ψάχνουν τρόπους για να πραγματοποιήσουν αυτό το όνειρο και ο λόγος είναι απλός: το εν λόγω καύσιμο είναι άφθονο και η διαδικασία παραγωγής του απαλλαγμένη από εκπομπές άνθρακα.

 

Γεγονός είναι ότι το όνειρο της πυρηνικής σύντηξης έχει μερικώς “παραλλαχθεί” τα τελευταία χρόνια. Από τη Zeta, την πρώτη προσπάθεια να οικοδομηθεί ένας αντιδραστήρας σύντηξης στο Harwell της νότιας Αγγλίας τη δεκαετία του 1950, έως το Iter, στο νότιο τμήμα της Γαλλίας, οι πρωτοβουλίες αυτές αποτελούσαν ευθύνη των τοπικών κυβερνήσεων. Όχι πια. Σήμερα υπάρχει εμπορικό ενδιαφέρον. Οι επιχειρήσεις στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη σχεδιάζουν να κατασκευάσουν αποδοτικούς αντιδραστήρες σύντηξης. Τα έργα τους έχουν διαφορετικές προσεγγίσεις με τα ποσά των επενδύσεων να ποικίλλουν. Αλλά όλοι έχουν κάτι κοινό, την επιθυμία να θάψουν το παλιό αστείο ότι η εμπορική δύναμη της πυρηνικής σύντηξης βρίσκεται - και θα συνεχίσει να βρίσκεται - 30 χρόνια μακριά μας.

 

Στον απόηχο του έργου του Έντινγκτον και των διαδόχων του, η δύναμη σύντηξης στη Γη περιγράφεται συχνά σαν να μιμείται τη δομική λειτουργία του ήλιου. Αυτό δεν είναι αλήθεια. Η ηλιακή σύντηξη συσσωρεύει πυρήνες ηλίου, που αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, ένα σωματίδιο από μεμονωμένα πρωτόνια, τους πυρήνες των ατόμων υδρογόνου - με τα πλεονάζοντα θετικά ηλεκτρικά φορτία να πνίγονται από σωματίδια αντιύλης που ονομάζονται ποζιτρόνια. Η μέση περίοδος που απαιτείται για να ολοκληρωθεί αυτή η αντίδραση είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια.

 

Ευτυχώς, υπάρχει ένας πιο σύντομος δρόμος: να ενεργοποιηθούν άτομα υδρογόνου προ-φορτωμένα με νετρόνια (είτε ένα δευτέριο ή δύο τρίτια). Ένα από τα 6.000 άτομα υδρογόνου στη Γη είναι στην πραγματικότητα το δευτέριο, πράγμα που σημαίνει ότι η ουσία μπορεί να εξαχθεί από το νερό. Το τρίτιο, το οποίο είναι ραδιενεργό, είναι πολύ πιο σπάνιο και πρέπει να συντίθεται. Ωστόσο, η διαδικασία είναι εύκολη και η πρώτη ύλη, το λίθιο, άφθονη.

 

Το δευτέριο και το τρίτιο αντιδρούν μαζί πολύ πιο εύκολα από ότι τα γυμνά πρωτόνια - ενώ δεν εμπλέκονται ποζιτρόνια στη διαδικασία. Το αποτέλεσμα είναι το ήλιο και ένα εφεδρικό νετρόνιο. Το μόνο που χρειάζεται για να δημιουργηθεί ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας συσκευής που μπορεί να περιέχει ένα μείγμα δευτερίου και τριτίου στις θερμοκρασίες και τις πυκνότητες που απαιτούνται για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε η αντίδραση να αποφέρει περισσότερη ενέργεια από εκείνη που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της. Σε κάθε δεδομένη μηχανή αυτές οι παράμετροι θερμοκρασίας, πυκνότητας και χρόνου μπορούν να διαπραγματευτούν μεταξύ τους. Ο βέλτιστος συνδυασμός τους σε ένα δεδομένο σύνολο περιστάσεων είναι γνωστός ως κριτήριο Λόσον από τον Τζον Λόσον, ο οποίος ασχολήθηκε με το Zeta.

 

Σήμερα, οι περισσότερες προσπάθειες για την επίτευξη του κριτηρίου Λόσον γίνονται χρησιμοποιώντας μηχανές που ονομάζονται “tokamaks”, οι οποίες σχεδιάστηκαν τη δεκαετία του 1950 από τον Αντρέι Σακάροφ, έναν σοβιετικό φυσικό που έγινε αργότερα διάσημος ως αγωνιστής υπέρ των ανθρωπίνων δικαιωμάτων. Μάλιστα, η διαδικασία σύμφωνα με το κριτήριο  Λόσον ακολουθείται από πολλές εμπορικές πρωτοβουλίες για την προώθηση της πυρηνικής σύντηξης. Μία από αυτές τις πρωτοβουλίες είναι το Commonwealth Fusion Systems (cfs) που προέρχεται  από το εργαστήριο φυσικής του πλάσματος του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης. Μία άλλη είναι η τεχνολογία Tokamak Energy, ένα που προέρχεται από το ερευνητικό εργαστήριο της uk Atomic Energy Authority στο Culham-Harwell.

 

Ένα συμβατικό “tokamak” είναι ένας κοίλος δακτύλιος, που θυμίζει ένα ντόνατ, με υπεραγώγιμους ηλεκτρομαγνήτες τυλιγμένους γύρω του. Αυτό εμπεριέχει το καύσιμο, το οποίο είναι ένα πλάσμα (ένα αέριο στο οποίο έχουν διαχωριστεί τα ηλεκτρόνια και οι ατομικοί πυρήνες) που αποτελείται από δευτέριο και τρίτιο. Οι μαγνήτες χρησιμεύουν τόσο για τη θέρμανση του πλάσματος όσο και για τον περιορισμό του - διατηρώντας έτσι την πυκνότητα του και διατηρώντας το μακριά από το σύνορο του τοιχώματος καθώς αν αγγίξει τον τοίχο ψύχεται αμέσως.

 

Τα “tokamaks” είναι συνήθως μεγάλα μηχανήματα. Αυτοί οι μαγνήτες γίνονται υπεραγώγιμοι σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, οπότε μπορούν να ψυχθούν χρησιμοποιώντας υγρό άζωτο που είναι φθηνό και όχι υγρό ήλιο που είναι πιο ακριβό.

 

Οι ερευνητές της Tokamak Energy έχουν επίσης χρησιμοποιήσει αζωτούχους υπεραγωγούς για τους μαγνήτες τους. Η θεωρία υποδηλώνει ότι το πλάσμα σε σφαιρικούς σπόρους θα παραμείνει πιο σταθερό και έτσι θα είναι ευκολότερο να χρησιμοποιηθεί. Επίσης, η Tokamak Energy έχει ήδη δημιουργήσει μια σειρά από πρωτότυπα εργασίας. Το τελευταίο, st40, έχει φτάσει σε θερμοκρασία πλάσματος 15m ° C. Ο στόχος της εταιρείας είναι να φτάσει τα 100m ° C μέσα στα επόμενα χρόνια. Αυτά είναι τα δύο τρίτα του δρόμου προς τα 150m ° C όπου ένα “tokamak” θα επιτύχει το κριτήριο Λόσον.

 

Μια άλλη εταιρεία που χρησιμοποιεί την προσέγγιση frc είναι η tae Technologies, του Foothill Ranch, Καλιφόρνια. Η τελευταία συσκευή της Tae, που παρουσιάστηκε τον Ιούλιο του 2017, είναι ένα μηχάνημα μήκους 25 μέτρων που ονομάζεται Νόρμαν από τον Νόρμαν Ροστόκερ, φυσικό του πλάσματος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας.

 

Ο Νόρμαν είναι ένας κυλινδρικός αντιδραστήρας. Οι συσκευές ψεκασμού σε κάθε άκρο του κυλίνδρου φτάνουν ταυτόχρονα η μία προς την άλλη σε περίπου 1 χιλιόμετρο το δευτερόλεπτο. Όταν οι στροβίλοι συναντιούνται, συνενώνονται σε ένα σύννεφο κυλινδρικού σχήματος μήκους τριών μέτρων και πλάτους περίπου μισού μέτρου το οποίο κρατιέται περιστρεφόμενο και ως εκ τούτου ζεστό και σταθερό, με δέσμες ατόμων δευτερίου που εκτοξεύονται από το εξωτερικό.

 

Μέχρι στιγμής, ο Νόρμαν παράγει δίνες με θερμοκρασίες 3,5m ° C που διαρκούν περίπου δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου, αντί για τα μικροδευτερόλεπτα ενός συμβατικού frc. Η tae ελπίζει, μέχρι το τέλος του τρέχοντος έτους, να αυξήσει αυτή τη θερμοκρασία σε περίπου 30m ° C και να τριπλασιάσει τη διάρκεια ζωής του πλάσματος. Όλα αυτά είναι θεμιτά, ωστόσο, αυτό που κάνει την προσέγγιση της επιχείρησης ιδιαίτερη είναι ότι σκοπεύει να αποφύγει το δευτέριο και το τρίτιο υπέρ του φυσιολογικού υδρογόνου (ο πυρήνας του οποίου είναι ένα μοναδικό πρωτόνιο) και του βορίου. Αντί ενός πυρήνα ηλίου και ενός νετρονίου, αυτή η αντίδραση παράγει τρεις πυρήνες ηλίου. 

 

Η απουσία των νετρονίων είναι κρίσιμη. Η σύντηξη δευτερίου-τριτίου πραγματοποιείται σε ένα “tokamak”, το 80% περίπου της απελευθερωμένης ενέργειας μεταφέρεται από τα νετρόνια. Σε έναν σταθμό ηλεκτροπαραγωγής αυτή η κινητική ενέργεια θα συλλέγεται απορροφώντας τα νετρόνια σε ένα κατάλληλο υλικό, απελευθερώνοντας έτσι την ενέργεια της κίνησης ως θερμότητα. Αυτή η θερμότητα θα χρησιμοποιηθεί για την αύξηση του ατμού και την καθοδήγηση ενός στροβίλου. Αν το απορροφητικό υλικό που επιλεχθεί είναι το λίθιο, αυτή η διάταξη θα έχει το πλεονέκτημα να δημιουργήσει νέο τρίτιο για να τροφοδοτήσει την αντίδραση.

 

Το μειονέκτημα μιας τέτοιας προσέγγισης είναι ότι και ο υπόλοιπος πυρήνας θα απορροφήσει νετρόνια, καθιστώντας το όλο δημιούργημα ραδιενεργό (αν και δεν είναι ραδιενεργό όπως ένας συμβατικός αντιδραστήρας σχάσης) και θα καταστρέψει τελικά τη δομή του. Επίσης, κάθε βήμα στη διαδικασία οδηγεί στην απώλεια ενέργειας. Η μέθοδος πρωτονίου-βορίου προσφέρει έναν πιο κομψό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επειδή τα σωματίδια άλφα είναι θετικά φορτισμένα και μπορούν έτσι να προκαλέσουν ρεύμα απευθείας σε εξωτερικό αγωγό. Δεν εμπλέκεται θέρμανση και τα σωματίδια άλφα δεν διαφεύγουν ώστε να προκαλέσουν βλάβη αλλού.

 

Δεν υπάρχει λοιπόν έλλειψη ιδεών για τον τρόπο κατασκευής ενός πρακτικού αντιδραστήρα σύντηξης. Ωστόσο, όλοι οι επενδυτές έρχονται αντιμέτωποι με το ερώτημα του πόσο καιρό θα χρειαστεί για να πάρει σάρκα και οστά μια ιδέα. Στον τομέα της σύντηξης, το πιο σημαντικό ερώτημα είναι πότε θα επιτευχθεί το κέρδος.

 

Ο καθένας έχει να πει και μια καλή ιστορία γι 'αυτό. Το cfs θέλει να επιτύχει κέρδη έως το 2025. Το ίδιο συμβαίνει και με την ενέργεια “tokamaks”. Η επόμενη συσκευή της Tae, ο Κοπέρνικος, προσδοκά όχι μόνο να κερδίσει αλλά και να αποτελέσει ορόσημο ηλεκτροπαραγωγής. Η Tae φιλοδοξεί να προμηθεύσει ηλεκτρική ενέργεια με βάση τη σύντηξη μέχρι το 2030, χρονιά που η Tokamak Energy φιλοδοξεί να αρχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 100mw. Η First Light Fusion προβλέπει ότι οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν την τεχνολογία της θα είναι σε θέση λειτουργίας κάποια στιγμή στη δεκαετία του 2030.

 

Όλη αυτή η αισιοδοξία θα πρέπει να είναι συγκρατημένη, ειδικά από εταιρείες που καλούνται να αντλήσουν κεφάλαια για μελλοντικά πειράματα. Οι επενδύσεις, ωστόσο, αυξάνονται. Η tae έχει εξασφαλίσει 600 εκατομμύρια δολάρια σε ιδιωτική χρηματοδότηση, η General Fusion πάνω από 100 εκατομμύρια δολάρια, η Tokamak Energy 65 εκατομμύρια δολάρια και η First Light η οποία βρίσκεται ακόμη στα πρώτα στάδια, 25 εκατομμύρια δολάρια.

 

Οι προκλήσεις είναι χωρίς αμφιβολία μπροστά μας. Όπως παρατηρεί ο Στέφεν Ντιν της Fusion Power Associates, ενός οργανισμού που ενεργοποιείται στον τομέα  "Η ιστορία της σύντηξης δεν μας δίνει σιγουριά ότι δεν θα υπάρξει πρόβλημα. Ξέρετε ότι ασχολούμαστε με αυτό για 50 χρόνια και πάντα υπάρχε κάποιο πρόβλημα. Ωστόσο, το βραβείο είναι τεράστιο. Εάν έστω και μία από τις νεοσύστατες εταιρείες σύντηξης πετύχει τον στόχο της, θα εξασφαλιστεί η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε παγκόσμια κλίμακα - και χωρίς εκπομπές άνθρακα - για πάντα.”

Μετάφραση: Ρίτα Θεολόγη