Του Γιώργου Λώλου, επίτιμου καθηγητή πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, University of Regina, Καναδά

Οι αρχαίοι είχαν κατανοήσει τον ζωογόνο ρόλο του Ηλίου σε τέτοιο βαθμό που τον λάτρευαν ως θεϊκή παρουσία. Έτσι λοιπόν, άφησαν την επιστημονική βάση της πηγής ενέργειας του Ηλίου στην θεϊκή εξήγηση και το πρόβλημα λύθηκε. Ο Αρίσταρχος ο Σάμιος όμως, όχι μόνον πρότεινε το ηλιοκεντρικό μοντέλο για το Ηλιακό σύστημα, αλλά διατύπωσε και την θεωρία ότι τα αστέρια που ήταν ορατά την εποχή του, είναι σαν το Ήλιο! Διάφορες θεωρίες προτάθηκαν από το τον 17ο αιώνα και μετά για τον μηχανισμό παραγωγής ενέργειας στον Ήλιο, από καύσιμο άνθρακα ή ξύλο, σε συνεχή καταιγισμό μετεωριτών, στην βαρυτική κατάρρευση, μέχρι και την ραδιενέργεια αλλά καμία θεωρία δεν εξηγούσε την διάρκεια ζωής του άστρου και την ενεργειακή ισχύ. Η λύση τελικά ήταν η θεωρία του Eddington το 1920, περί σύντηξης τεσσάρων πυρήνων υδρογόνου σε πυρήνα 4He.

 Ακολούθησε διαδοχική εμβάθυνση στην θεωρητική και πειραματική έρευνα της σύντηξης. Με την ραγδαία κατανόηση της κβαντομηχανικής και του φαινομένου της σήραγγας, το 1938 ο Hans Bethe διατύπωσε τον ειδικό μηχανισμό σύντηξης όπως παρουσιάζεται αναλυτικά παρακάτω. Για να κατανοήσουμε όμως πόσο δύσκολη τεχνικά είναι η ελεγχόμενη σύντηξη για παραγωγή ενέργειας, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε την φυσική της σύντηξης στον Ήλιο με αρκετή λεπτομέρεια, ώστε να τεθεί η βάση για κατανόηση των δυσκολιών φυσικής και τεχνικής φύσης που αντιμετωπίζει η κατασκευή και λειτουργία αντιδραστήρων σύντηξης.

Θέτοντας τα θεμέλια της Θερμοδυναμικής

Η έννοια της θερμοκρασίας παίζει τον βασικό παράγοντα σε ό,τι ακολουθεί παρακάτω. Ας διατυπώσουμε λοιπόν τον ορισμό της θερμοκρασίας ως ένα θεμελιώδες φυσικό μέγεθος, αν και πολύ «παρεξηγημένο» στην καθημερινή ζωή. Πρώτα από όλα, τονίζεται με έμφαση ότι η έννοια της θερμοκρασίας ορίζεται μόνον όταν όλα τα μέρη του συστήματος είναι σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ένα πολύ κοινό λάθος που γίνεται, ακόμη και από άτομα των οποίων το επάγγελμα και γνώσεις δεν το δικαιολογούν, είναι ανακοινώσεις όπως «η έκρηξη δημιούργησε θερμοκρασίες χιλίων βαθμών Κελσίου» και τέτοια παρόμοια. Γιατί γίνεται αυτό το λάθος θα το δούμε αμέσως παρακάτω.

Ο ορισμός της θερμοκρασίας βασίζεται στην Κινητική Θεωρία των Αερίων. Σε ένα αέριο, η κατανομή του αριθμού των μορίων ως συνάρτηση των ταχυτήτων τους τους (θερμική κίνηση) σχηματίζει μια καμπύλη, της οποίας το σχήμα εξαρτάται από την θερμοκρασία του αερίου. Μια τέτοια κατανομή ταχυτήτων φαίνεται στην Εικόνα 1 που δείχνει αυτή την εξάρτηση. Είναι φανερό ότι η συνάρτηση μοριακών ταχυτήτων και θερμοκρασίας είναι στατιστική στην φύση της και όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο αυξάνεται το πλάτος της κατανομής. Εδώ γεννάται η ερώτηση, πως ορίζεται λοιπόν η θερμοκρασία με τέτοια κατανομή; Χρειαζόμαστε στατιστική ανάλυση για τέτοιες κατανομές, γενικά, όχι μόνο στην θερμοδυναμική. Κάθε τέτοια κατανομή ορίζεται από τρεις διαφορετικές τιμές, ως τις αντιπροσωπευτικές, για την φυσική ποσότητα που είναι ο κύριος παράγοντας στην καμπύλη.

Εικόνα 1: Η κατανομή μοριακών ταχυτήτων αερίων για τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες.

Την Πιό Πιθανή (mp), την Μέση Τιμή (av) και την Μέση Τετραγωνική Ρίζα (rms), όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. Η Πιο Πιθανή τιμή είναι η μέγιστη στην κατανομή του ποσοστού των μορίων με μια ορισμένη ταχύτητα. Η Μέση Τιμή είναι η μέση αριθμητική τιμή όλων των ταχυτήτων στην κατανομή. Η Μέση Τετραγωνική Ρίζα είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν το μέγεθος των τιμών εξαρτάται από το τετράγωνο ενός μεγέθους, π.χ. η ταχύτητα στην κινητική ενέργεια.

Στην κινητική θεωρία των αερίων, η τιμή της Μέσης Τετραγωνικής Ρίζας καθορίζει την σχέση μεταξύ μεταφορικής κινητικής ενέργειας ενός μορίου και της θερμοκρασίας που αντιστοιχεί και είναι μια καθοριστική εξίσωση της θερμοδυναμικής. Αυτός ο ορισμός περιγράφεται στην Εξίσωση 1(α), ενώ η ολική ενέργεια, Ε, του αερίου δίνεται αντίστοιχα στην εξίσωση 1(β):

K.E.μ.τ. = 1/2 m(Vrms)2 = 3/2 kBT 1(α)

Ε = kBT 1(β)

όπου K.E.μ.τ. είναι η μέση τιμή της μεταφορικής κινητικής ενέργειας ανά μόριο, kB είναι η σταθερά Boltzmann και Τ είναι η θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν. Στο «απόλυτο μηδεν», Τ=0, κάθε μοριακή κίνηση παύει, τουλάχιστον στην κλασική θερμοδυναμική. Η Εξίσωση (1) ισχύει, προφανώς, όταν υπάρχει θερμοδυναμική ισορροπία. Αν όχι, τότε συχνά αναφέρεται σαν να υπήρχε τέτοια θερμοδυναμική ισορροπία, π.χ. σε μια έκρηξη όπου η μεταφορική κινητική ενέργεια των αερίων είναι τέτοια που, αν ήταν αποτέλεσμα θερμοδυναμικής ισορροπίας, η θερμοκρασία θα ήταν αυτή που θα αντιστοιχούσε στην Εξίσωση (1) (κακώς αναφέρεται αλλά έτσι εντυπωσιάζει). Θα επιστρέψουμε σε αυτό στην ανάλυση για τους αντιδραστήρες. Αν η συνάρτηση είναι συμμετρική, οι τρεις παράμετροι συμπίπτουν.

Εικόνα 2: Τα τρία στατιστικά μεγέθη για την κατανομή μοριακών ταχυτήτων.

Η Φυσική της σύντηξης στον Ήλιο

Ο Ήλιος είναι ένας φυσικός αντιδραστήρας σύντηξης και βάζει τα θεμέλια για τις φυσικές παραμέτρους για μια ελεγχόμενη σύντηξη. Ο Ήλιος αποτελείται από διάφορα στρώματα όπως φαίνεται στην Εικόνα 3. Για την ανάλυση εδώ, μας ενδιαφέρει ο πυρήνας (κέντρο) του Ηλίου όπου η σύντηξη λαμβάνει χώρα. Η πυκνότητα στον πυρήνα είναι 150 g/cm3 και η πίεση είναι 26,5 δισεκατομμύρια GPa.

Η θερμοκρασία, που είναι το πιο ενδιαφέρον φυσικό μέγεθος, είναι 15.000.000 Κ! Από την Εξίσωση (1α), η μέση θερμική μεταφορική κινητική ενέργεια ανά άτομο υδρογόνου είναι 1,939 keV. Ας κρατήσουμε αυτόν τον αριθμό για περαιτέρω επεξεργασία. Με τέτοιες θερμοκρασίες στο κέντρο του Ηλίου, τα άτομα του υδρογόνου έχουν χάσει τα ηλεκτρόνια τους και έχουν μετατραπεί σε πλάσμα, διότι το ηλεκτροστατικό δυναμικό που τα διατηρεί σε ατομικό δεσμό είναι μόνο 13,6 eV. Έχουμε λοιπόν ένα θερμοδυναμικό πλάσμα που υπακούει στην κλασική φυσική αερίων, αλλά με μια κρίσιμη κβαντική ιδιαιτερότητα για την σύντηξη. Η πυκνότητα του πλάσματος είναι τέτοια που τα φωτόνια που παράγονται στον πυρήνα χρειάζονται δεκάδες χιλιάδες χρόνια για να αφήσουν την επιφάνεια του Ηλίου πίσω τους!

Δύο πρωτόνια, το καθένα με μέση μεταφορική κινητική ενέργεια 1,939 keV, συγκρούονται μέσω της ισχυρής δύναμης (strong force) στο κέντρο του Ήλιου. Για να γίνει όμως αυτό, θα πρέπει να «πλησιάσουν» ώστε να αναλάβει, ας πούμε, η ισχυρή ελκυστική πυρηνική δύναμης. Για να επιτευχθεί σύντηξη των δύο πρωτονίων, μέσω της ισχυρής δύναμης, τα άτομα χρειάζονται ενέργεια τουλάχιστον 600 keV για να ξεπεράσουν το απωθητικό δυναμικό (φραγμό) του ηλεκτροστατικού πεδίου Coulomb. Η κλασική μηχανική κάνει την σύντηξη αδύνατη, αλλά η κβαντική φυσική την επιτρέπει μέσω του φαινομένου της σήραγγας (tunneling effect).

Εικόνα 3: Απεικόνιση των βασικών στρωμάτων του Ηλίου

Η μεγάλη διαφορά μεταξύ της κινητικής ενέργειας των πρωτονίων, σε  σχέση με το μέγεθος του δυναμικού ηλεκτροστατικού φραγμού και σε συνδυασμό με το πλάτος του δυναμικού Coulomb, κάνουν την πιθανότητα στατιστικά εξαιρετικά απίθανη, αλλά όχι μηδέν. Για την ακρίβεια, μόνον ένα πρωτόνιο στα 1.028 θα επιτύχει (στατιστικά) διαπέραση του φραγμού. Αντίστροφα, κάθε πρωτόνιο θα χρειαστεί (στατιστικά) 1.028 απόπειρες μέχρι να επιτύχει διαπέραση!

Στην Εικόνα 4(α) παρουσιάζεται το παράδειγμα της κλασικής μηχανικής, όπου το κέντρο μάζας της σφαίρας πρέπει να έχει κινητική ενέργεια τουλάχιστον ίση με την δυναμική ενέργεια στην κορυφή του εμποδίου που, ουσιαστικά, είναι ένα δυναμικό φράγμα, για να το υπερκεράσει. Γίνεται και σύγκρισης με την κβαντική φυσική που «επιτρέπει» στην σφαίρα να «περάσει» μέσα από τον δυναμικό φραγμό, που στην κβαντική φυσική όμως συμπεριφέρεται ως κυματοσυνάρτηση.

Στην 4(β) παρουσιάζεται μια ρεαλιστική απεικόνιση των δύο δυναμικών πεδίων των πρωτονίων: του θετικού ηλεκτροστατικού που δημιουργείται από το κάθε πρωτόνιο και λειτουργεί ως φραγμός για τα άλλο και του ισχυρού ελκυστικού (αρνητικού) του κάθε πρωτονίου. Η κόκκινη γραμμή στην βάση του απωθητικού (Coulomb) δυναμικού, αναλογεί στην κινητική ενέργεια του πρωτονίου, έτσι εξηγείται και η τόσο χαμηλή πιθανότητα διαπέρασης, ώστε να εισέλθει στο ελκυστικό πυρηνικό δυναμικό του άλλου.

Εικόνα 4: (α) Κλασική και Κβαντική Αντιμετώπιση Δυναμικού Φραγμού και (β) Δυναμικό Πεδίο Πρωτονίου και οι παράμετροι που καθορίζουν την πιθανότητα επιτυχίας

Η διαδικασία όμως της πυρηνικής αντίδρασης, που μετατρέπει τέσσερα πρωτόνια σε ένα πυρήνα 4He, λαμβάνει χώρα σε διαδοχικά στάδια, όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 5. Αν τώρα τα δύο πρωτόνια βρεθούν εντός του δυναμικού της ισχυρής δύναμης, δύο αντιδράσεις είναι πιθανές. Μια είναι η σκέδαση, οπότε χάνεται ένα πρωτόνιο από την διαδικασία σύντηξης. Η άλλη είναι ο σχηματισμός ενός πυρήνα δύο πρωτονίων, που αμέσως όμως διασπάται (απαγορεύεται από την κβαντομηχανική λόγω των ίδιων κβαντικών αριθμών) με πιθανή μετατροπή του πρωτονίου σε νετρόνιο, σχηματίζοντας έτσι πυρήνα Δευτέριου (2H ή D) με συνοδευτική εκπομπή ενός ποζιτρονίου και ενός νετρίνου. Στο επόμενο στάδιο, ένα πρωτόνιο αντιδρά με τον ίδιο τρόπο με το πυρήνα του Δευτέριου σχηματίζοντας πυρήνα Τρίτιου (3H ή Τ) με την εκπομπή φωτονίου.Η αντίδραση τώρα μεταξύ των δύο πυρήνων Τριτίου σχηματίζει τον πυρήνα 4He με την εκπομπή δύο πρωτονίων. Έτσι τέσσερα συνολικά πρωτόνια έκλεισαν τον κύκλο της σύντηξης σε 4He.

Η σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων παράγει σχεδόν το 99% της ηλιακής ενέργειας, υπάρχει όμως και ένας άλλος κύκλος (CNO) που χρησιμοποιεί τον Άνθρακα ως καταλύτη με ενδιάμεσα στάδια παραγωγής Αζώτου και Οξυγόνου και παράγει την υπόλοιπη ενέργεια. Αυτός ο κύκλος δεν είναι του ενδιαφέροντος για αντιδραστήρες σύντηξης αλλά, μια και ασχοληθήκαμε τόσο με την φυσική του Ηλίου, αναφέρεται για την πλήρη εικόνα παραγωγής ενέργειας στον Ήλιο και παρουσιάζεται στην Εικόνα 6.

Εικόνα 5: Τα στάδια των αρχικών τεσσάρων πρωτονίων που καταλήγουν στην σύντηξη.

Εικόνα 6: Ο κύκλος CNO που συμβάλει στην σύντηξη μέσω του Άνθρακα ως καταλύτη.

Αντιδραστήρες σύντηξης

Όπως αναλύθηκε ανωτέρω, για σύντηξη στον Ήλιο απαιτείται να πληρωθεί το τίμημα του φαινομένου της σήραγγας, με την απίστευτα χαμηλή πιθανότητα επιτυχίας για όλα τα στάδια στην Εικόνα 5. Στην φυσική, κάθε επιπλέον αντίδραση προς το τελικό αποτέλεσμα εισάγει μια επιπλέον μείωση πιθανοτήτων. Η μετατροπή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο, μέσω της αδύναμης δυνάμεως (weak interaction) στο πρώτο στάδιο, μειώνει περαιτέρω τις πιθανότητες για το επόμενο στάδιο.

Όμως, με τον απίστευτα μεγάλο αριθμό πρωτονίων, την υψηλή θερμοκρασία που παράγει την κινητική ενέργεια και την πίεση να συγκρατεί την όλη διαδικασία στο κέντρο του Ηλίου, το τελικό αποτέλεσμα είναι ένας πολύ ενεργός Ήλιος με ζωή δισεκατομμυρίων ετών.

Για αντιδραστήρες σύντηξης, όμως, η αλυσίδα πρωτονίου – πρωτονίου, στην Εικόνα 5, δεν είναι πιθανή διότι οι συνθήκες, όπως είναι στον πυρήνα του Ηλίου, δεν υπάρχουν. Έτσι, η αλυσίδα «συντομεύεται» ξεκινώντας από συνδυασμό D και T, όπως είναι εν μέρει στο τρίτο στάδιο στην Εικόνα 5. Έτσι αυξάνεται δραματικά η πιθανότητα σύντηξης, χωρίς τα εξαιρετικά προβληματικά δύο πρώτα στάδια. Αυτό ισχύει για όλες της μεθόδους ελεγχόμενης σύντηξης, ανεξαρτήτως διαφορετικών τεχνικών χαρακτηριστικών. Η επιλογή της σύντηξης D-T βασίζεται και στην υψηλή πιθανότητα αντίδρασης (υψηλή ενεργός διατομή) εν σχέση με όλα τα άλλα πιθανά κανάλια σύντηξης, όπως φαίνεται στην Εικόνα 7.

Εικόνα 7: Ενεργός διατομή για διαφορετικά κανάλια που οδηγούν σε σύντηξη.

Η Εικόνα 7 επιβεβαιώνει, λοιπόν, την επιλογή του καναλιού D-T για αντιδραστήρες σύντηξης. Παρατηρείται, επίσης, ότι η ενεργός διατομή παρουσιάζεται ως συνάρτηση της ενέργειας του κέντρου μάζας των δυο πυρήνων και όχι της θερμοκρασίας, για τους λόγους που εξηγήθηκαν ήδη. Η αντίδρασης D-T προχωρά μέσω της ισχυρής δύναμης και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ικανοποιητική ενεργό διατομή. Η αντίδραση προχωρά ως φαίνεται στην Εικόνα 8. Με ενέργειες ~10 keV με ~20 keV, οι δύο πυρήνες αδυνατούν να ξεπεράσουν το φράγμα των 600 keV του ηλεκτροστατικού πεδίου και εξαρτώνται από το φαινόμενο της σήραγγας πάλι, αλλά με καλύτερες πιθανότητες επιτυχίας λόγω των υψηλότερων τιμών κινητικής ενέργειας από ότι τα πρωτόνια στον Ήλιο.

Εικόνα 8: Η αντίδρασης D-T σε σύντηξη προς παραγωγή 4He

Όταν οι δύο πυρήνες τελικά διαπεράσουν το ηλεκτροστατικό πεδίο, σχηματίζουν έναν ασταθή πυρήνα 5He* που μεταπίπτει σε 4He με την ταυτόχρονη εκπομπή φωτονίων και ενός νετρονίου, με την χαρακτηριστική ενέργεια των 14.1 MeV. Αυτή η ενέργεια του νετρονίου είναι τόσο χαρακτηριστική της σύντηξης, που χρησιμοποιείται ως καθοριστική διάγνωση ότι η σύντηξη έχει λάβει χώρα.

Ένα άλλο κοινό χαρακτηριστικό όλων των αντιδραστήρων σύντηξης και μια πολύ μεγάλη διαφορά από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης, είναι η σχέσης ενέργειας που απαιτείται για την λειτουργία ως προς την ενέργεια αποδόσεως. Η ενέργεια που απαιτείται για έναν αντιδραστήρα σχάσης, μια και το χαμηλά εμπλουτισμένο ουράνιο είναι στην θέση του, είναι ελάχιστη. Δηλαδή, αφού η αντίδραση σχάσης έχει ξεκινήσει, είναι αυτοσυντηρούμενη. Σε αντιδραστήρες σύντηξης τα πράγματα είναι πολύ πιο δύσκολα.

Ανεξαρτήτως τύπου, όλοι οι αντιδραστήρες σύντηξης απαιτούν εξαιρετικά υψηλά αρχικά ποσά ενέργειας για να ξεκινήσει η σύντηξη και για να διατηρηθεί στις απαραίτητες «θερμοκρασίες» και εντός καθορισμένου και περιορισμένου χώρου. Η απόδοση του αντιδραστήρα εκφράζεται ως ο λόγος της ενέργειας που παράγεται ως προς την ενέργεια που καταναλώνεται. Αυτός ο λόγος (πηλίκο) συμβολίζεται με το γράμμα Q:

Q = (Ισχύς που παράγεται) / (Ισχύς που καταναλώνεται) (2)

Το πρακτικό αποτέλεσμα και τη σημασία αυτού του πηλίκου, θα τα δούμε για τους δύο βασικούς τύπους αντιδραστήρων. Η επιτυχία του Q = 1 (break even) ήταν ένα σημαντικό γεγονός που είχε πάρει δεκαετίες να επιτευχθεί. Εξίσου μεγάλης σημασίας όμως είναι και ο χρόνος που το πλάσμα ήταν σταθεροποιημένο, όταν επετεύχθη αυτό το ορόσημο. Θα δούμε, επίσης για κάθε σύστημα τι ακριβώς σημαίνουν αυτά τα δυο ορόσημα αποδόσεως και σταθερότητας, διότι αυτά είναι τα πιο δύσκολα και απαραίτητα για παραγωγή αξιόπιστης ενέργειας.

Ι. Σύντηξη Μαγνητικού Περιορισμού (Magnetic Confinement Fusion)

Η πιο γνωστή μέθοδος μαγνητικού περιορισμού για ελεγχόμενη σύντηξη είναι αυτή που χρησιμοποιεί σχεδίαση Τόκαμακ (Tokamak), του οποίου η θεωρητική μελέτη έγινε το 1950 από τους A. Sakharov και Ι. Tamm. Ο πρώτος, μάλιστα, θεωρείται και ως ο πατέρας της σοβιετικής θερμοπυρηνικής βόμβας. Ο Tokamak eίναι ένας δακτυλιοειδής αντιδραστήρας που είναι εντός ισχυρών μαγνητικών πεδίων από έναν αριθμό ηλεκτρομαγνητών διαφόρων τύπων. Ένα σχηματικό ενός τυπικού τέτοιου τύπου αντιδραστήρα παρουσιάζεται στην Εικόνα 9.

Εικόνα 9: Σχηματικό διάγραμμα αντιδραστήρα μαγνητικού περιορισμού Τόκαμακ.

Η «καρδιά» ενός Τόκαμακ είναι ο κεντρικός δακτύλιος όπου γίνεται η σύντηξη. Πρώτη και όχι εύκολη απαίτηση είναι για ένα εξαιρετικής ποιότητας κενό, όσο «καθαρό» επιτρέπει η τεχνολογία. Σε αυτόν τώρα τον δακτύλιο θα γίνει η εισροή υδρογόνου στην μορφή των δύο ισοτόπων D-T και εκεί θα περιοριστεί το πλάσμα που θα δημιουργηθεί.

To πλάσμα δημιουργείται με ένα συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης, π.χ. ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορούν να δημιουργήσουν πλάσμα. Αυτό μπορεί κατόπιν να θερμανθεί σε υψηλές θερμοκρασίες (δηλαδή υψηλές τιμές κινητικής ενέργειας) είτε με ένα κεντρικό σωληνοειδή ηλεκτρομαγνήτη, που λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες (επαγωγική θέρμανση), ή με την εισροή υψηλής ενέργειας ουδέτερων (όχι ιονισμένων) σωματιδίων. Ο συνδυασμός των ισχυρών μαγνητικών πεδίων εμποδίζουν το πλάσμα να ακουμπήσει στα τοιχώματα του δακτυλίου και το κρατούν στον περιορισμένο χώρο που οδηγεί σε τέτοιες πιέσεις, ώστε να επιτευχθεί σύντηξη.

Το πραγματικά δύσκολο πρόβλημα, που τόσο έχει ταλαιπωρήσει τους επιστήμονες για δεκαετίες, είναι ο χρόνος που μπορεί να παραμείνει το πλάσμα στην τοπολογία που θα κρατήσει όλες τις παραμέτρους εντός του στενού παραθύρου για σύντηξη.

Η επόμενη ερώτηση είναι, βέβαια, πώς η ενέργεια που απελευθερώνεται από την σύντηξη μεταφράζεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 8, η σύντηξη παράγει πυρήνα 4He, δηλαδή σωματίδια α και νετρόνια. Τα νετρόνια, που έχουν υψηλή κινητική ενέργεια και συνιστούν τα 80% της ενέργειας της σύντηξης, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και εξέρχονται του μαγνητικού πεδίου προσκρούοντας στο μεταλλικό τοίχωμα του δακτυλίου.

Έτσι μεταφέρουν την ενέργεια τους αυξάνοντας την θερμοκρασία των τοιχωμάτων. Ο εσωτερικός τοίχος του δακτυλίου είναι στρωμένος με μια «κουβέρτα» που περιέχει συνήθως υγρό Λίθιο που απορροφά τα νετρόνια και την θερμότητα. Ένα ψυκτικό μέσο (συνήθως νερό ή ήλιο υπό υψηλή πίεση) κυκλοφορεί διαμέσου της «κουβέρτας» μεταφέροντας την θερμική ενέργεια στην κλασική πλέον μέθοδο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως όλες οι συμβατικές θερμοηλεκτρικές μέθοδοι.

Η χρήση Λιθίου υπηρετεί και έναν άλλον εξαιρετικά πολύτιμο ρόλο, δημιουργεί T που δεν είναι φυσικό ισότοπο του υδρογόνου και πρέπει να γίνει παραγωγή στο εργαστήριο. Μια τέτοια αντίδραση (όχι όμως η μόνη) είναι:

7Li + n → T + 4He + n – 2.5 MeV (3)

και απαιτεί νετρόνια με ενέργειες άνω των ~2,8 MeV που, βέβαια, η αντίδραση στην Εικόνα 8 ικανοποιεί άνετα. Τα σωματίδια α έχουν κινητική ενέργεια 3,5 MeV, που μεταφέρεται στο πλάσμα (που έχει ενέργειες ~10 keV με ~20 keV) και αποτελεί σημαντικό παράγοντα στην διατήρηση της ενέργειας του πλάσματος. Ως υπενθύμιση, 1 keV ενέργειας του πλάσματος αντιστοιχεί σε ~11,6 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν, από την Εξίσωση 1(β), κάτι που εξηγεί τις απίθανα υψηλές θερμοκρασίες που αναφέρονται για την σύντηξη στα Τόκαμακ, που υπερβαίνουν δέκα ή περισσότερες φορές τις θερμοκρασίες στο κέντρο του Ηλίου!

Το μεγαλύτερο και πιο τεχνολογικά προηγμένο Τόκαμακ είναι στο διεθνές πρόγραμμα ITER που ετοιμάζεται στην Γαλλία και αποβλέπει σε στιγμιαίο Q≿10 και συνεχές Q≈5. Δεν αποτελεί ένα μελλοντικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά η έρευνα που θα προκύψει θα οδηγήσει στις τελικές προδιαγραφές για παραγωγικούς σταθμούς σύντηξης.

ΙΙ. Σύντηξη Αδρανειακού Περιορισμού (Inertial Confinement Fusion)

Σε αυτήν την τεχνική, το μείγμα D-T αποτελείται από σφαιρίδια με διάμετρο περίπου 1 mm σε ίση αναλογία και υπό υψηλή πίεση. Τα σφαιρίδια είναι είτε από πλαστικό, είτε από Be ἠ ακόμη και από διαμάντι (τεχνητό). Τα σφαιρίδια κατόπιν καταψύχονται έτσι ώστε το πάχος του πάγου στο εσωτερικό τους να είναι λείο και ομοιογενές. Ενώ η περιγραφή είναι απλή, η παραγωγή τους όμως και σε μεγάλους αριθμούς, όπως απαιτείται, δεν είναι καθόλου εύκολη. Η περιγραφή που ακολουθεί είναι βασισμένη στο πιο γνωστό εργαστήριο NIF (National Ignition Facility) στο Lawrence Livermore National Laboratory, στην πόλη Livermore της Καλιφόρνιας. Η κεντρική ιδέα είναι ότι η συμπίεσης των πυρήνων D και T γίνεται με τέτοιες τιμές ενέργειας ώστε να υπερκεράσουν τον φραγμό του δυναμικού Coulomb και να γίνει σύντηξη. Αυτό γίνεται με την χρήση λέιζερ (ή ιόντων σε άλλα εργαστήρια), όπως φαίνεται (μόνον ως περιγραφική αρχή της μεθόδου) στην Εικόνα 10.

Εικόνα 10: Απλοποιημένη διάταξης ενός αντιδραστήρα αδρανειακής σύντηξης.

Στο NIF το σύστημα αποτελείται από 192 πολύ ισχυρά λέιζερ με ισχύ μέχρι 2,2 εκατομμύρια Joules (MJ) με παλμούς διάρκειας μόλις 10-9 s(δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου) που μεταφράζεται σε ~500 TW μέγιστη ισχύ! Ένα σχηματικό, πιο αντιπροσωπευτικό της εγκατάστασης, είναι στην Εικόνα 11. Τα λέιζερ εκπέμπουν σε μήκος κόμματος 351 nm, που είναι στο φάσμα του υπεριώδους και έτσι συνεισφέρει και αυτό στην ενέργεια που μεταφέρεται στα σφαιρίδια. Με την ενέργεια που μεταφέρεται σε τόσο μικρό όγκο, τοπικά το εξωτερικό του σφαιριδίου εκρήγνυται προς τα έξω και, με την διατήρηση της ορμής, το σφαιρίδιο ενδορρήγνυται (implodes), αυξάνοντας την πίεση στο εσωτερικό μέχρι και σε 1.000 g/cm3 και με ανάλογες υψηλές ενέργειες, δημιουργώντας έτσι τις συνθήκες για σύντηξη.

Εικόνα 11: Αντιπροσωπευτική εικόνα του συστήματος σύντηξης στο NIF

Το εργαστήριο έχει επιτύχει την υψηλότερη τιμή, Q≈4.2 μέχρι σήμερα, αλλά αυτό έγινε σε μια μόνο εκτόνωση των λέιζερ. Προβλήματα υπάρχουν, όπως ο αριθμός που μπορούν τα λέιζερ να λειτουργήσουν σε μια ημέρα. Λόγω της πολύ υψηλής ισχύος, μόνο μερικές φορές την ημέρα μπορούν να παράγουν ενέργεια, ενώ για εμπορική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας απαιτείται συνεχής λειτουργία. Η μετατροπή ενέργειας των νετρονίων σε ηλεκτρική γίνεται με την ίδια μέθοδο όπως σε Τόκαμακ και άλλους παρόμοιου τύπου αντιδραστήρες.

Οι δύο τύποι αντιδραστήρων που παρουσιάζονται εδώ είναι απλώς αντιπροσωπευτικοί των μεθόδων δημιουργίας του πλάσματος που απαιτείται. Υπάρχουν διαφορές μεταξύ των Τόκαμακ σε διαφορά κράτη αλλά όλα βασίζονται όμως στις ίδιες βασικές αρχές. Ένα σχέδιο αντιδραστήρα για μαγνητικό περιορισμό, αλλά με σημαντική διαφορά από τον κλασικό Τόκαμακ, είναι το Stellarator που είναι δημιουργία του Αμερικανού αστροφυσικού Lyman Spitzer to 1951. Ενώ ο Τόκαμακ εξαρτάται από ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στο πλάσμα να δημιουργεί μια συνιστώσα του μαγνητικού πεδίου που περιορίζει το πλάσμα, το Stellarator το επιτυγχάνει με ιδιαιτέρως πολύπλοκους «στριμμένους» (twisted) μαγνήτες έξω από τον κεντρικό δακτύλιο. Αυτό είναι μια σημαντική διαφορά και πολλά υποσχόμενη εν συγκρίσει με τους Τόκαμακ, που έχουν μονοπωλήσει μέχρι τώρα αυτήν την κατηγορία γιατί είναι ευκολότεροι στην κατασκευή. Τα τελευταία χρόνια όμως αυτό αλλάζει και στην Γερμανία ετοιμάζονται να κατασκευάσουν τον πρώτο εμπορικό αντιδραστήρα σύντηξης βασιζόμενοι στον πειραματικό Wendelstein 7-X που έδωσε πρωτοποριακά αποτελέσματα. Ένα σχηματικό τέτοιου αντιδραστήρα παρουσιάζεται στην Εικόνα 12. Η διαφορά στην γεωμετρία του μαγνητικού πεδίου από την Εικόνα 9 είναι εμφανής.

Εικόνα 12: Σχηματική περιγραφή αντιδραστήρα τύπου Stellarator

Μέχρι σήμερα κανένα πειραματικό εργαστήριο σύντηξης δεν έχει επιτύχει να συντηρήσει σταθερή παραγωγή σύντηξης για παραπάνω από 1,337 δευτερόλεπτα. Επίσης κανένα εργαστήριο δεν έχει επιτύχει καθαρό ενεργειακό κέρδος, έστω και με Q≳1. Αυτό σημαίνει ότι ξοδεύεται περισσότερη συνολικά ενέργεια από ότι παράγεται. Και είναι εξαιρετικά δύσκολο να σταθεροποιηθεί το πλάσμα για ώρες, πόσο μάλλον για συνεχή παραγωγή. Από την άλλη πλευρά, η αδρανειακή μέθοδος έχει το πρόβλημα ότι σφαιρίδια πρέπει να εισέρχονται στο κέντρο με ταχύ ρυθμό και με μεγάλη ακρίβεια ενώ ταυτοχρόνως τα ισχυρότατα λέιζερ πρέπει να συνεχίσουν να βομβαρδίζουν τα σφαιρίδια για ώρες. Αυτές οι παρατηρήσεις είναι μόνο μερικές από τις δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν για συνεχή παραγωγή αυτοσυντηρούμενης ενέργειας, που ουσιαστικά σημαίνει τουλάχιστον Q≳5 ή παρόμοιες επιδόσεις.

Αν τελικά οι ελπίδες όλων μας γίνουν πραγματικότητα, τότε το «Άγιο Δισκοπότηρο» της καθαρής ενεργειακής ανεξαρτησίας (τουλάχιστον για αυτούς που έχουν το χρήμα, την τεχνολογία και την πολιτική θέληση να κατασκευάσουν τους αντιδραστήρες) θα είναι ένα από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα της ανθρωπότητας. Με ανεξάντλητη πηγή Δευτερίου από την θάλασσα, με παραγωγή Τρίτιου από την ίδια την σύντηξη και με περιορισμένα ραδιενεργά κατάλοιπα, που προέρχονται από την υψηλή εκπομπή νετρονίων σε τοιχώματα και μαγνήτες, το μέλλον είναι πολλά υποσχόμενο αλλά δεν είμαστε ακόμη εκεί.

Συμπεράσματα

Από την δεκαετία του ᾽50, η ενεργειακή λύση με σύντηξη ήταν γνωστή ως «η σε τριάντα χρόνια». Από τότε έχουν περάσει περίπου 60 χρόνια και η λύση σε εμπορικό επίπεδο έχει πολύ καιρό μπροστά της. Πολύ μεγάλη πρόοδος έχει πράγματι γίνει και υπάρχει ελπίδα, πως σε λιγότερο από μια δεκαετία να δούμε την πρώτη πραγματική εγκατάσταση που παράγει συνεχώς ηλεκτρική ισχύ με πραγματικό πολλαπλασιαστή ενέργειας, όχι απλώς ένα Q>1. Η Εξίσωση (2) στον παρονομαστή έχει την ενέργεια του πλάσματος ή την ενέργεια των λέιζερ όχι όμως την ολική ενέργεια απαραίτητη για το σύστημα να φθάσει στο στάδιο σύντηξης. Ως παράδειγμα, η κατανάλωση ενέργειας για τους μαγνήτες, για την ψύξη και όλη την συνοδευτική ενέργεια ώστε να έχει το πλάσμα όλες τις απαραίτητες παραμέτρους για σύντηξη, δεν εισέρχεται στην εξίσωση (2). Ρεαλιστικά, συνεχείς τιμές Q≳10 χρειάζονται για εμπορική εκμετάλλευση και αυτοσυντηρούμενη παραγωγή από σύντηξη. Ως θετικό καταγράφουμε το παγκόσμιο ενδιαφέρον με κρατικά και ιδιωτικά κεφάλαια που έχουν φέρει την παραγωγή ῞ατελείωτης και καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας» πιο κοντά και μάλλον «η τριάντα χρόνια απογοήτευση» φαίνεται να πλησιάζει στο τέλος της.