Οι ΗΠΑ θέτουν την πυρηνική σύντηξη σαν άμεση προτεραιότητα

Από την ιστοσελίδα του NewScientist, 11 Νοεμβρίου 2003

Η παραγωγή καθαρής ενέργειας μέσω της πυρηνικής σύντηξης και η οικοδόμηση των υπερυπολογιστών για την επιτάχυνση της επιστημονικής έρευνας είναι οι δύο κορυφαίες προτεραιότητες στην επιστήμη της φυσικής, σύμφωνα με μια νέα οδηγία του Αμερικανικού Τμήματος Ενέργειας.

Άλλα σημαντικά προγράμματα, που σχεδιάζονται, περιλαμβάνουν το σχεδιασμό μικροβίων για να περιορίσουν στην ατμόσφαιρα το διοξείδιο του άνθρακα αλλά και την αναζήτηση της μυστήριας σκοτεινής ενέργειας του κενού που είναι υπεύθυνη για την επέκταση του Σύμπαντος.

Εντούτοις, τα πειράματα της φυσικής των υψηλών ενεργειών (HEP), που συνθλίβουν μαζί διάφορα σωματίδια για να τα μελετήσουν, δεν έχουν πρωτεύουσα θέση στο είκοσι χρόνων σχέδιο που αναγγέλθηκε την περασμένη Δευτέρα. Τα πειράματα του HEP θα μπορούσαν μια ημέρα να ενοποιήσουν την κβαντομηχανική και τη Γενική Σχετικότητα, και να εξηγήσουν με ποιο τρόπο το σύμπαν απέκτησε τη μάζα του.

Αλλά ο Γραμμικός Συγκρουστής, που περιγράφηκε ως το "επόμενο μεγάλο βήμα" στη φυσική, ταξινομήθηκε σαν το 13ο από έναν κατάλογο 28 προγραμμάτων προτεραιότητας. Επιπλέον, τρία προγράμματα που μια ομάδα στο HEP είχε θεωρήσει σαν απολύτως απαραίτητα το Μάρτιο δεν μπήκαν καν στον κατάλογο.

"Δυστυχώς ο Γραμμικός Συγκρουστής πήγε πιο κάτω στις προτεραιότητες από όσο, οι περισσότεροι από μας, αναμέναμε," λέει ο Ernest Moniz, καθηγητής φυσικής στο MIT και πρώην γραμματέας στο Τμήμα Ενέργειας (DoE). "Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι είναι καθαρά θέμα προτεραιοτήτων, αν και προκαλεί απογοήτευση να μην είναι πιο υψηλά στον κατάλογο."

Μεγάλος χορηγός

Το DoE είναι το μεγαλύτερο χρηματοδοτικό ίδρυμα των ΗΠΑ για την έρευνα στις φυσικές επιστήμες, μαθηματικά και στους υπολογιστές, με έναν ετήσιο προϋπολογισμό 3 δισεκατομμυρίων δολλαρίων. Αλλά κατά τη διάρκεια των τελευταίων δύο δεκαετιών ο προϋπολογισμός έμεινε στάσιμος σε αυτά τα πεδία, ενώ τα χρήματα για τη βιολογία και τη διαστημική έρευνα έχουν αυξηθεί.

Το 2002 το DoE ίδρυσε ομάδες για να καθορίσουν ποιες ήταν οι σημαντικότερες έρευνες που θα χρηματοδοτούσε. Πάνω από 50 προγράμματα μπήκαν στον τελικό κατάλογο, και το DoE κατόπιν επέλεξε τα σπουδαιότερα 28.

Δώδεκα από τα 28 θεωρήθηκαν σαν "βραχυπρόθεσμες προτεραιότητες", οκτώ ως μεσοπρόθεσμες και οκτώ σαν μακροπρόθεσμες. Ο οδικός χάρτης δεν εξετάζει τα επίπεδα χρηματοδότησης, αλλά παρέχει έναν οδηγό για το πώς θα διανεμηθούν τα χρήματα. "Αυτός ο κατάλογος είναι για τώρα ότι καλύτερο, αλλά θα επανεξεταστεί καθώς προχωρούμε," λέει ο Ray Orbach ο διευθυντής του επιστημονικού γραφείου στο DoE.

Οι περισσότεροι αμερικανοί φυσικοί θεώρησαν ότι ο κατάλογος του DoE σωστά δίνει προτεραιότητα στα μακροχρόνια προγράμματα, που απαιτούν πολλά χρόνια δουλειάς πριν παράγουν χειροπιαστά αποτελέσματα.

Το κορυφαίο πρόγραμμα του DoE είναι το διεθνές πείραμα σύντηξης, που είναι γνωστό ως ITER. Ο Orbach λέει ότι κέρδισε αυτήν την θέση, επειδή λόγω της αυξανόμενης ισχύος των υπολογιστών μπορούν τώρα οι προσομοιώσεις να βοηθήσουν να ξεκινήσει το πρόγραμμα. "Εάν εργαστούμε όλοι, τότε σε 35 χρόνια, θα μπορούσαμε να έχουμε ηλεκτρική ενέργεια από την σύντηξη," λέει.

Αλλά μερικοί φυσικοί υψηλής ενέργειας αισθάνονται ότι μπήκαν στο περιθώριο. "Εάν διαβάσω τον κατάλογο στην κυριολεξία, τότε το HEP είναι μια απογοήτευση," λέει ο Leon Lederman, ένας φυσικός υψηλών ενεργειών στο Ιλλινόις. Αλλά είναι βέβαιος ότι τα τρέχοντα πειράματα του HEP θα έχουν τέτοια αποτελέσματα που θα αναγκάσουν αρκετούς να αλλάξουν άποψη για της χρηματοδότηση του. "Σχέδια είκοσι χρόνων συνήθως τροποποιούνται," λέει.

MAST, το μέλλον της σύντηξης

Η σύντηξη είναι ο τύπος της πυρηνικής ενέργειας που χρησιμοποιούν τα άστρα. Όμως, παρόλα τα πλεονεκτήματα που έχει έναντι της συμβατικής πυρηνικής ενέργειας, τεχνικά είναι δύσκολο να αναπτυχθεί.

Για να την προσεγγίσουμε πρέπει να περιοριστεί ένα υπέρθερμο αέριο, το πλάσμα, μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Κι αυτό γίνεται σε τεράστιους πειραματικούς αντιδραστήρες τήξης. Αλλά είναι πανάκριβοι και δύσχρηστοι, απαγορευτικοί για όλα τα κράτη.

Αλλά τώρα, σύμφωνα με Βρετανούς επιστήμονες, μπορούμε να το επιτύχουμε και με μικρότερους αντιδραστήρες που θα είναι τεχνικά ευκολότερο να αναπτυχθούν, φτηνότεροι και γρηγορότερα να αναπτυχθούν. Τα πιο πρόσφατα πειράματα δείχνουν να υπόσχονται πολλά για το μέλλον.

Η νέα συσκευή λέγεται Mast (Mega Amp Spherical Tokamak), και μπορεί να κάνει το όνειρο για προσιτή σύντηξη, πραγματικότητα.

Είναι μια πιο μικρή έκδοση ενός πρότυπου αντιδραστήρα σύντηξης, που έχει λύσει ήδη πολλά τεχνικά προβλήματα.

Πολλοί είναι αυτοί βέβαια που θεωρούν την πυρηνική σύντηξη σαν τη μεγάλη ελπίδα της ανθρωπότητας για μια μη ρυπαίνουσα ενέργεια. Είναι η ενέργεια που επιτρέπει στον ήλιο να λάμπει.

Για να γίνει δε πυρηνική τήξη πρέπει τα άτομα πρώτα να διαχωριστούν σε ηλεκτρόνια και ατομικούς πυρήνες. Να παραχθεί δηλαδή ένα φορτισμένο αέριο, το πλάσμα. Οι γυμνοί πυρήνες πρέπει έπειτα να συγκρουστούν έτσι ώστε να συγχωνευτούν. Αλλά λόγω των απωστικών δυνάμεων, αυτό είναι πολύ δύσκολο.

Αλλά για, σχεδόν, 50 χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να την τιθασεύσουν στο εργαστήριο, σε συνθήκες που να μοιάζουν με αυτές του ήλιου, 15 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου και πίεση 100.000 ατμόσφαιρες.

Επειδή δεν είναι δυνατόν να αναπαραχθούν αυτές οι συνθήκες στη Γη, οι επίγειοι αντιδραστήρες τήξης πρέπει να λειτουργήσουν σε χαμηλότερες πιέσεις και υψηλότερες θερμοκρασίες - περίπου 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Υπάρχει, επίσης, το σημαντικό πρόβλημα με το πλάσμα, που είναι σαν αέριο, το οποίο θέλει να ξεφεύγει από τα όρια του.

Ο καλύτερος τρόπος για να ελεγχθεί το πλάσμα, είναι να 'μποτιλιάρουμε' το φορτισμένο υπέρθερμο αέριο, με τη βοήθεια ισχυρών μαγνητικών πεδίων.

Μέχρι τώρα, το επιτυχέστερο μαγνητικό 'μπουκάλι' είναι ένα tokamak, μια συσκευή που έχει εφευρεθεί από Ρώσους. Σε ένα tokamak, συνδυάζονται δύο μαγνητικά πεδία για να περιορίσουν το πλάσμα.

Το, παγκοσμίως, μεγαλύτερο tokamak λέγεται Jet, (Joint European Torus), το κοινό ευρωπαϊκό δακτύλιο.

Χρησιμοποιώντας το Jet, οι επιστήμονες έχουν θερμάνει πλάσμα σε 300 εκατομμύρια βαθμούς - περισσότερο από ότι είναι αναγκαίο για να επιτευχθεί η ανάφλεξη της σύντηξης. Αλλά ο μαγνητικός περιορισμός είναι ευκολότερος εάν ο πρότυπος αντιδραστήρας είναι μικρός σε μέγεθος.

Γι' αυτό και οι επιστήμονες θεωρούν τη νέα συσκευή Mast, σαν την πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία σήμερα.