Ασφαλής και καθαρή πυρηνική ενέργεια με λέιζερ

Πηγή: The Guardian, 30 Μαΐου 2007

Ένα πολυεθνικό πρόγραμμα που καθοδηγείται από βρετανούς ερευνητές στοχεύει να χρησιμοποιήσει ένα υψηλής ισχύος λέιζερ για να αναπαραγάγει τις φυσικές αντιδράσεις που γίνονται στην καρδιά του ήλιου αλλά και κάθε άλλου άστρου στον κόσμο - την πυρηνική σύντηξη. Εάν το πρόγραμμα πετύχει θα έχει την δυνατότητα να λύσει την ενεργειακή κρίση σε παγκόσμιο επίπεδο, χωρίς την καταστροφή του περιβάλλοντος.

Οι επιστήμονες αναγνωρίζουν ότι ένας αντιδραστήρας σε εμπορική χρήση είναι μια πολύ μακρινή υπόθεση, αλλά θεωρούν ότι η προσέγγιση με λέιζερ στην παραγωγή της σύντηξης παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες. Η ΕΕ εξετάζει μια πρόταση να χρηματοδοτήσει τις δαπάνες οργάνωσης για ένα επταετές ερευνητικό πρόγραμμα - το HiPER - που θα κατασκεύαζε έναν αντιδραστήρα επίδειξης. Η προετοιμασία για το επταετές πρόγραμμα μόνο, που είναι μια συνεργασία 11 εθνών, αναμένεται να κοστίσει πάνω από 50 εκατομμύρια. Κι αν κατασκευαστεί ο ίδιος ο αντιδραστήρας θα κοστίσει πάνω από μισό δισ. ευρώ.

Το πρόγραμμα της ΕΕ έχει ως σκοπό να ξεπεράσει ένα παρόμοιο αμερικανικό πρόγραμμα το Nif στο Livermore της Καλιφόρνιας. Όταν φτιαχτεί το 2010, οι φυσικοί είναι βέβαιοι ότι το λέιζερ Nif θα είναι αρκετά ισχυρό για να ξεκινήσει μια αντίδραση σύντηξης. Τα πειράματα στην έρημο της Νεβάδας κατά τη δεκαετία του '80, με τις υπόγειες εκρήξεις των πυρηνικών όπλων μας έχουν δείξει πόση ενέργεια θα πρέπει να εκτοξευτεί με το λέιζερ για τη σύντηξη.

Ο διευθυντής της Κεντρικής Εγκατάστασης Λέιζερ του Rutheford Appleton Mike Dunne, ένας ειδικός στην Οξφόρδη, όπου στεγάζεται το ισχυρότερο λέιζερ στον κόσμο, τονίζει ότι μπορούμε να κάνουμε δοκιμές χωρίς να χρειαστεί η ρίψη μιας πυρηνικής βόμβας, και αυτό πρόκειται να κάνει το Nif.

Ο Dunne επίσης τόνισε τα εξής: "Αυτό που εμείς θέλουμε να κάνουμε είναι βασικά ένας εμπορικά βιώσιμος πυρηνικός κινητήρας εσωτερικής καύσης, όπου στη θέση των πιστονιών θα έχουμε μια σφαίρα». Ως γνωστόν, στον κινητήρα των αυτοκινήτων ένα πιστόνι συμπιέζει το καύσιμο ώσπου αυτό εκρήγνυται και εκτινάσσει αέρια. Ο κύκλος αυτός επαναλαμβάνεται συνεχώς, όσο χρειαζόμαστε ενέργεια για την κίνησή μας. Στην περίπτωση της πυρηνικής σύντηξης εισάγουμε το καύσιμο σε μορφή σφαίρας, την «πυροβολούμε» με ακτίνες λέιζερ, αυτή φθάνει σε κατάσταση πλάσματος, συντήκεται και μας χαρίζει την πολυπόθητη πολλαπλάσια ενέργεια. Επίσης, θα συμπιέζουμε το καύσιμο λίγο και, όταν αυτό φθάσει στο ύψιστο σημείο συμπίεσης, θα εισάγουμε λίγη ακόμη ενέργεια για να αρχίσει η πυρηνική καύση - όπως ακριβώς κάνει ένα μπουζί με τον σπινθήρα του στον βενζινοκινητήρα".

Η σύντηξη πάνω στη γη όπου θα απελευθερωθεί χρήσιμη ενέργεια είναι από καιρό μια μεγάλη φιλοδοξία των φυσικών.

Η ιδέα είναι να συντηχθούν δύο ισότοπα υδρογόνου - ένα δευτέριο και ένα τρίτιο - για να σχηματίσουν έναν πυρήνα ηλίου. Με την αντίδραση αυτή αποδεσμεύονται μεγάλα ποσά ενέργειας, επειδή μια μικρή ποσότητα μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια χάρις τη διάσημη εξίσωση E=mc² του Einstein. Όμως, η δυσκολία αναπαραγωγής αυτής της πυρηνικής αντίδρασης πάνω στη Γη έχει να κάνει με την απαιτούμενη ενέργεια για να συμβεί η σύντηξη. Για να φθάσει το δευτέριο και το τρίτιο στη λεγόμενη «κατάσταση πλάσματος» χρειάζεται θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Τα άστρα - όπως ο ήλιος μας - λύνουν αυτό το πρόβλημα με τη βαρύτητα τους, που τους προσφέρει αφειδώς την αναγκαία συμπίεση στο εσωτερικό τους.

Αντίθετα από την πυρηνική διάσπαση ενός βαρέως πυρήνα, που είναι ραδιενεργό υλικό, στη σύντηξη δεν έχουμε πυρηνικά επικίνδυνα απόβλητα. Και το καλύτερο από όλα είναι ότι δεν έχουμε μια αλυσιδωτή αντίδραση χωρίς έλεγχο, όπως αυτή που προκάλεσε το ατύχημα του Τσέρνομπιλ.

Το όνειρο της σύντηξης ακολουθείται ήδη από ένα πρόγραμμα αξίας 10 δισ. - το ITER - που χτίζεται στο Cadarache της Γαλλίας. Αυτό το πρόγραμμα στοχεύει να χρησιμοποιήσει ισχυρούς μαγνήτες για να λιώσει τα άτομα του υδρογόνου.  Με την μέθοδο του ITER θα πρέπει να κατασκευαστεί ένας τεράστιος αντιδραστήρας, που θα δημιουργεί τις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό των άστρων, με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου. Το κόστος του θα είναι γύρω στα 10 δισ. ευρώ, με ορίζοντα ολοκλήρωσης το 2017. Η Γαλλία μάλιστα θα φιλοξενήσει το εργοστάσιο.

Αλλά πολλοί φυσικοί στην ερευνητική κοινότητα βλέπουν ότι ο βομβαρδισμός του υδρογόνου με ένα υψηλής ενέργειας λέιζερ έχει συγκριτικά πλεονεκτήματα έναντι της μεθόδου του ITER. Αυτό το αντιλήφθηκαν για πρώτη φορά οι επιστήμονες στο κορυφαίο εργαστήριο της Οξφόρδης, το Rutherford Appleton Laboratory. 

Η μέθοδος τους ονομάζεται «fast ignition» και για να επιτευχθεί χρησιμοποιεί βομβαρδισμό με λέιζερ μακροχρόνιου παλμού για τη συμπίεση του καύσιμου υδρογόνου και βραχυχρόνιου παλμού για την έναρξη της πυρηνικής αντίδρασης. Ο βομβαρδισμός γίνεται συμμετρικά - γι αυτό και ο στόχος (δευτέριο και τρίτιο) πρέπει να έχει σφαιρική μορφή - από πολλές ακτίνες λέιζερ. Το κέρδος είναι ότι κάτι τέτοιο απαιτεί πολύ μικρότερη εγκατάσταση από τους μαγνητικούς δακτυλίους του ITER, άρα και κόστος. Εκτιμάται ότι θα κοστίσει μόλις 800 εκατ. ευρώ, έναντι των 10 δισ. του ITER.

Τρισδιάστατο μοντέλο του προτεινόμενου ευρωπαϊκού σταθμού πυρηνικής σύντηξης HiPER. Θα συμπληρώνεται με ατμοστροβίλους που θα μετατρέπουν την παραγόμενη ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα

Θεωρητικά η όλη σκέψη είναι σωστή. Αλλά πρακτικά η μέθοδος fast ignition δεν έχει ακόμη αποδειχθεί. Οι Βρετανοί συγκέντρωσαν γύρω τους 50 περίπου διακεκριμένους επιστήμονες από 10 κράτη, βάφτισαν τη σύμπραξή τους HiPER (High Power Research laser) και κατάφεραν μάλιστα να χρηματοδοτηθούν από την ΕΕ. Η κατασκευή θα διαρκέσει από το 2010 ως το 2014, ενώ η έναρξη λειτουργίας του σταθμού αναμένεται να γίνει το 2015.

Το μέγεθος και το κόστος μπορεί να είναι μικρά, αναλογικά, αλλά οι τεχνικές δυσκολίες μεγάλες. Τα «πυροβόλα λέιζερ» που απαιτούνται είναι δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα απ' οτιδήποτε υπάρχει σήμερα. Η απόδοσή τους πρέπει να κυμαίνεται στο 20%, όταν σήμερα έχουμε μόνο 1%. Η επαναληπτικότητά τους επίσης πρέπει να επιτρέπει πέντε ριπές ανά δευτερόλεπτο, όταν οι τώρα κατασκευαζόμενες μεγάλες διατάξεις λέιζερ «πυροβολούν» μία φορά κάθε λίγες ώρες. Άλλο μέγα πρόβλημα είναι το καύσιμο: Χρειάζονται τέλειες σφαίρες δευτερίου και τριτίου, διαμέτρου ενός χιλιοστού, που θα παράγονται και θα διατηρούνται σε κρυογενείς συνθήκες λόγω του ότι είναι ασταθή ισότοπα. Καθόσον θα «ξοδεύονται» 5 σφαίρες καυσίμου ανά δευτερόλεπτο, θα απαιτηθεί το στήσιμο ολόκληρης βιομηχανίας τέτοιων σφαιριδίων - με τεχνολογίες παραγωγής που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί.

Ωστόσο η πιο μεγάλη πρόκληση για τη σύμπραξη HiPER είναι ο ίδιος ο αντιδραστήρας. Το δέσιμο ενός συστήματος που θα ρίχνει τα σφαιρίδια στο κέντρο ενός θαλάμου κενού, με τρόπο ώστε να μπορούν τα λέιζερ να τα χτυπούν εντελώς ομοιόμορφα και ενόσω το όλο σύστημα θα διατηρείται σε κρυογενείς συνθήκες, αλλά και θα αντέχει μια πιθανή θερμοπυρηνική έκρηξη Χρειάζεται τεχνογνωσία ονειρική ακόμη και για βιομηχανία οπλικών συστημάτων. Για να μη σταθούμε στο ότι το όλο σύστημα θα πρέπει να καθαρίζεται ύστερα από κάθε ομοβροντία.

Για όλα αυτά υπάρχουν βεβαίως προτεινόμενες λύσεις και καθημερινά προκύπτουν νέες. Για παράδειγμα, στις 6 Ιουνίου του 2006 το Πανεπιστήμιο Heriott-Watt του Εδιμβούργου παρουσίασε ειδικά πλακίδια, επικαλυμμένα με διαμάντια, που ισχυρίζεται ότι αντέχουν τις «θερμοκρασίες Ηλίου» που θα αναπτύσσονται στον θάλαμο σύντηξης ενός HiPER ή ενός ITER. Ως τότε δεν είχαμε τίποτε καλύτερο από τα ανθρακικά πλακίδια που χρησιμοποιούνταν στα Space Shuttle. 

Υπάρχουν όμως μερικοί επιστήμονες, που είναι δύσπιστοι για την προσέγγιση με λέιζερ. Ο Duarte Borba, που εργάζεται στο Jet, έναν πειραματικό αντιδραστήρα μαγνητικής σύντηξης, λέει ότι η μέθοδος με λέιζερ έχει μειονεκτήματα. "Θέλουμε πολλά χρόνια πειραμάτων προτού να μπορέσουμε πραγματικά να χτίσουμε έναν αντιδραστήρα βασισμένο στην σύντηξη με λέιζερ".

Τέλος, έχουμε και τη συμμετοχή του ΤΕΙ Κρήτης σε αυτή την προσπάθεια με επικεφαλής τον καθηγητή του Μιχάλη Ταταράκη. 

Πυρηνική σύντηξη

Διαδικασία στην οποία δύο ισότοπα του υδρογόνου - το δευτέριο και το τρίτιο - συνδυάζονται για να παραγάγουν έναν πυρήνα ηλίου, ένα νετρόνιο και τεράστια ποσά ενέργειας.

Το συμβατικό υδρογόνο αποτελείται από έναν πυρήνα με ένα πρωτόνιο και με ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφει γύρω του. Ο πυρήνας ενός δευτερίου ή βαρέως υδρογόνου περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.

Ο πυρήνας του τρίτιου ή υπέρβαρου υδρογόνου περιέχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Μπορεί να προέλθει από το λίθιο

Η πυρηνική σύντηξη δημιουργεί κάποια χαμηλού επιπέδου ραδιενεργά απόβλητα, όμως η αντίδραση αυτή δεν παράγει διοξείδιο του άνθρακα, κι έτσι δεν θα συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου ή είναι αδύνατον να συμβεί ένα παρόμοιο φαινόμενο με του Τσέρνομπιλ.

Αλλά η μεγαλύτερη πρόκληση θα είναι να φτιαχτεί ένα αρκετά ισχυρό λέιζερ που να μπορεί να πυροδοτήσει αρκετά γρήγορα. Τα ισχυρότερα λέιζερ σε παγκόσμιο επίπεδο χρειάζονται αρκετά λεπτά για να κάνουν μια δεύτερη πυροδότηση. Ένας αντιδραστήρας σύντηξης με λέιζερ θα πρέπει να πυροδοτεί αρκετές φορές το δευτερόλεπτο. Επίσης, οι επιστήμονες θα πρέπει  να αναπτύξουν νέα υλικά αρκετά ανθεκτικά για το βομβαρδισμό με λέιζερ.