Ένας βιώσιμος αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης ένας που καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από ό, τι καταναλώνει – θα μπορούσε να είναι εδώ μόλις το 2025.
Αυτή είναι η εξαγωγή επτά νέων μελετών, που δημοσιεύθηκαν στις 29 Σεπτεμβρίου στο Journal of Plasma Physics.
Εάν ένας αντιδραστήρας σύντηξης φτάσει σε αυτό το ορόσημο, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μαζική παραγωγή καθαρής ενέργειας.
Κατά τη διάρκεια της σύντηξης, οι ατομικοί πυρήνες αναγκάζονται μαζί να σχηματίσουν βαρύτερα άτομα. Όταν η μάζα των ατόμων που προκύπτουν είναι μικρότερη από τη μάζα των ατόμων που πήγαν στη δημιουργία τους, η περίσσεια μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια, απελευθερώνοντας μια εξαιρετική ποσότητα φωτός και θερμότητας. Η σύντηξη τροφοδοτεί τον ήλιο και τα αστέρια, καθώς η ισχυρή βαρύτητα στις καρδιές τους συγχωνεύει το υδρογόνο για να δημιουργήσει ήλιο.
Ωστόσο, απαιτείται τεράστια ποσότητα ενέργειας για να αναγκάσουν τα άτομα να συγχωνευθούν, η οποία εμφανίζεται σε θερμοκρασίες τουλάχιστον 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Ωστόσο, τέτοιες αντιδράσεις μπορούν να παράγουν πολύ περισσότερη ενέργεια από ό, τι απαιτούν. Ταυτόχρονα, η σύντηξη δεν παράγει αέρια θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα, τα οποία οδηγούν στην υπερθέρμανση του πλανήτη, ούτε παράγει άλλους ρύπους. Και το καύσιμο για σύντηξη όπως το στοιχείο υδρογόνο είναι αρκετά άφθονο στη Γη για να καλύψει όλες τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας για εκατομμύρια χρόνια.
“Σχεδόν όλοι μας μπήκαμε σε αυτήν την έρευνα επειδή προσπαθούμε να λύσουμε ένα πραγματικά σοβαρό παγκόσμιο πρόβλημα”, δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Martin Greenwald, φυσικός πλάσματος στο MIT και ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες που ανέπτυξαν τον νέο αντιδραστήρα. “Θέλουμε να έχουμε αντίκτυπο στην κοινωνία. Χρειαζόμαστε μια λύση για την υπερθέρμανση του πλανήτη – αλλιώς, ο πολιτισμός αντιμετωπίζει προβλήματα. Φαίνεται ότι μπορεί να βοηθήσει να διορθωθεί αυτό.”
Οι περισσότεροι πειραματικοί αντιδραστήρες σύντηξης χρησιμοποιούν ρωσικό σχέδιο ντόνατ που ονομάζεται tokamak. Αυτά τα σχέδια χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για να περιορίσουν ένα σύννεφο πλάσματος ή ιονισμένο αέριο, σε ακραίες θερμοκρασίες, αρκετά υψηλά ώστε τα άτομα να συγχωνευτούν μαζί. Η νέα πειραματική συσκευή, που ονομάζεται αντιδραστήρας SPARC (Σύντομο / Μικρότερο Ιδιωτικό Χρηματοδοτούμενο Προσιτό Ανθεκτικό), αναπτύσσεται από επιστήμονες στο MIT και μια εταιρεία spinoff, Commonwealth Fusion Systems.
Εάν πετύχει, το SPARC θα είναι η πρώτη συσκευή που θα επιτύχει ποτέ ένα «κάψιμο πλάσματος», στο οποίο η θερμότητα από όλες τις αντιδράσεις σύντηξης συνεχίζει τη σύντηξη χωρίς την ανάγκη άντλησης επιπλέον ενέργειας. Αλλά κανείς δεν μπόρεσε ποτέ να εκμεταλλευτεί τη δύναμη της καύσης του πλάσματος σε μια ελεγχόμενη αντίδραση εδώ στη Γη και απαιτείται περισσότερη έρευνα προτού το κάνει το SPARC. Το έργο SPARC, το οποίο ξεκίνησε το 2018, έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει την κατασκευή τον επόμενο Ιούνιο, με τον αντιδραστήρα να αρχίσει να λειτουργεί το 2025. Αυτό είναι πολύ ταχύτερο από το μεγαλύτερο έργο ισχύος σύντηξης στον κόσμο, γνωστό ως International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), το οποίο σχεδιάστηκε το 1985 αλλά δεν ξεκίνησε μέχρι το 2007 · και παρόλο που η κατασκευή άρχισε το 2013, το έργο δεν αναμένεται να δημιουργήσει αντίδραση σύντηξης έως το 2035.
Ένα πλεονέκτημα που μπορεί να έχει το SPARC έναντι του ITER είναι ότι οι μαγνήτες του SPARC έχουν σχεδιαστεί για να περιορίζουν το πλάσμα του. Το SPARC θα χρησιμοποιήσει τους λεγόμενους υπεραγωγούς μαγνητών υψηλής θερμοκρασίας που διατέθηκαν μόνο στο εμπόριο τα τελευταία τρία έως πέντε χρόνια, πολύ μετά την πρώτη σχεδίαση του ITER. Αυτοί οι νέοι μαγνήτες μπορούν να παράγουν πολύ πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία από τα ITER – ένα μέγιστο 21 teslas, σε σύγκριση με το μέγιστο των 12 teslas του ITER. (Συγκριτικά, το μαγνητικό πεδίο της Γης κυμαίνεται σε ισχύ από 30 εκατομμυρίων έως 60 εκατομμυρίων ενός τεσλά.)
Αυτοί οι ισχυροί μαγνήτες υποδηλώνουν ότι ο πυρήνας του SPARC μπορεί να είναι περίπου τρεις φορές μικρότερος σε διάμετρο και 60 έως 70 φορές μικρότερος σε όγκο από την καρδιά του ITER, το οποίο έχει πλάτος 6 μέτρα. “Αυτή η δραματική μείωση του μεγέθους συνοδεύεται από μείωση του βάρους και του κόστους”, δήλωσε ο Greenwald στο LiveScience. “Αυτό είναι πραγματικά το παιχνίδι αλλαγής.”
Σε επτά νέες μελέτες, οι ερευνητές περιέγραψαν τους υπολογισμούς και τις προσομοιώσεις υπερυπολογιστών που βασίζονται στο σχεδιασμό του SPARC. Το SPARC αναμένεται να παράγει τουλάχιστον δύο φορές περισσότερο από 10 φορές περισσότερη ενέργεια από την αντλία, σύμφωνα με τις μελέτες.
Η θερμότητα από έναν αντιδραστήρα σύντηξης θα δημιουργούσε ατμό. Αυτός ο ατμός θα οδηγούσε στη συνέχεια σε μια γεννήτρια στροβίλων και ηλεκτρικού ρεύματος, με τον ίδιο τρόπο που παράγεται σήμερα η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.
“Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύντηξης θα μπορούσαν να είναι αντικαταστάσεις για μονάδες ορυκτών καυσίμων και δεν θα χρειαστεί να αναδιαρθρώσετε ηλεκτρικά δίκτυα για αυτά”, δήλωσε ο Greenwald. Αντιθέτως, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, “δεν ικανοποιούνται καλά από τον τρέχοντα σχεδιασμό ηλεκτρικών δικτύων.”
Οι ερευνητές ελπίζουν τελικά ότι οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύντηξης εμπνευσμένοι από το SPARC θα παράγουν μεταξύ 250 και 1.000 μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας. “Στην τρέχουσα αγορά ηλεκτρικής ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνήθως παράγουν μεταξύ 100 και 500 μεγαβάτ”, δήλωσε ο Greenwald.
Το SPARC παράγει μόνο θερμότητα και όχι ηλεκτρική ενέργεια. Μόλις οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει και δοκιμάσει το SPARC, σκοπεύουν να κατασκευάσουν τον αντιδραστήρα ARC (Affordable Robust Compact), ο οποίος θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια από αυτήν τη θερμότητα έως το 2035.
“Αυτό είναι πολύ φιλόδοξο, αλλά αυτός είναι ο στόχος στον οποίο εργαζόμαστε”, δήλωσε ο Greenwald. “Νομίζω ότι είναι πραγματικά εύλογο.”