Σε ένα σημαντικό επιστημονικό επίτευγμα, οι ευρωπαίοι ερευνητές στην εγκατάσταση Joint European Torus (JET) στο Ηνωμένο Βασίλειο, σημείωσαν νέο παγκόσμιο ενεργειακό ρεκόρ παρατεταμένης και ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης. Συγκεκριμένα στα τελικά πειράματα δευτερίου-τριτίου του JET (DTE3), υψηλή ισχύς σύντηξης παράχθηκε σταθερά για 5 δευτερόλεπτα, με αποτέλεσμα ένα πρωτοποριακό ενεργειακό ρεκόρ 69 megajoules κατά τη διάρκεια ενός μόνο παλμού, χρησιμοποιώντας μόλις 0,2 χιλιοστόγραμμα καυσίμου!
Το νέο ενεργειακό ρεκόρ αντιστοιχεί στην ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση 2 κιλών άνθρακα και είναι 20 φορές το ποσό ενέργειας που απελευθερώθηκε σε πρόσφατο πείραμα στο National Ignition Facility των ΗΠΑ (NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore τον Οκτώβριο του 2023, το οποίο χρησιμοποίησε μια διαφορετική προσέγγιση στη σύντηξη για να παραγάγει περισσότερη ενέργεια.
«Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία που τροφοδοτεί τον Ήλιο και όλα τα άλλα άστρα και βασίζεται στη θέρμανση και τη σύντηξη ελαφρών στοιχείων όπως το υδρογόνο και στη δημιουργία βαρύτερων στοιχείων, απελευθερώνοντας ταυτόχρονα μεγάλα ποσά χρήσιμης ενέργειας.
Για να συγχωνευτούν τα άτομα στη Γη χρειαζόμαστε θερμοκρασίες δέκα φορές υψηλότερες από τον Ήλιο - περίπου 100 εκατομμύρια Κελσίου, και μια αρκετά υψηλή πυκνότητα για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα.
Εάν η διαδικασία κλιμακωθεί με επιτυχία σε εμπορικά επίπεδα, θα μπορούσε να παράγει πρακτικά ατελείωτες ποσότητες καθαρής ενέργειας χωρίς εκπομπές άνθρακα και χωρίς να εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες όπως εξαρτώνται η αιολική και η ηλιακή ενέργεια», εξηγεί στο Dnews ο Δρ Σπύρος Αλειφέρης ο οποίος συμμετείχε στα παραπάνω πειράματα, αλλά και στα προηγούμενα που είχαν πραγματοποιηθεί το 2021.
Photo 2: JET tokamak (Joint European Torus). Credit: UKAEA
Μια φιλόδοξη πειραματική εκστρατεία
Τον Σεπτέμβριο του 2023, η κοινοπραξία εργαστηρίων σύντηξης σε όλη την Ευρώπη EUROfusion ξεκίνησε μια φιλόδοξη πειραματική εκστρατεία στις εγκαταστάσεις JET της Αρχής Ατομικής Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου (UKAEA) στο Culham. Στόχος τους ήταν να δοκιμάσουν σενάρια λειτουργίας σε μικρού και μεσαίου μεγέθους ευρωπαϊκές διατάξεις για να ανοίξουν δρόμο στο διεθνές έργο ITER και στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης που θα ακολουθήσουν.
Το έργο ITER, είναι μια διεθνής συνεργατική προσπάθεια μεταξύ 35 χωρών με την τεράστια φιλοδοξία να αποδείξει τη βιωσιμότητα της παραγωγής ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης χρησιμοποιώντας μια γιγαντιαία μαγνητική διάταξη tokamak.
Όπως περιγράφει ο Έλληνας ερευνητής, ο αντιδραστήρας του Κέντρου Ενέργειας Σύντηξης του JET είναι μοναδικός μεταξύ των σημερινών μηχανών tokamak που παγιδεύουν ένα νέφος θερμού, ιονισμένου καυσίμου ή πλάσματος σε σχήμα ντόνατ μέσα σε ένα κλουβί μαγνητικών πεδίων, το οποίο λειτουργεί με το υβριδικό καύσιμο δευτερίου-τριτίου.
«Οι περισσότερες προσεγγίσεις για τη δημιουργία εμπορικής σύντηξης ευνοούν τη χρήση των δύο αυτών παραλλαγών του υδρογόνου καθώς η μεταξύ τους αντίδραση έχει την υψηλότερη πιθανότητα να συμβεί και ταυτόχρονα έχει μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις. Όταν το δευτέριο και το τρίτιο συντήκονται παράγουν αέριο ήλιο και τεράστιες ποσότητες ενέργειας, σε μια αντίδραση που θα αποτελέσει τη βάση των σταθμών παραγωγής ενέργειας σύντηξης, ενώ μελλοντικοί αντιδραστήρες επόμενης γενιάς θα μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικό μίγμα καυσίμου ακόμα μεγαλύτερης διαθεσιμότητας», εξηγεί ο ίδιος.
Το νέο επίτευγμα της ομάδας EUROfusion καταρρίπτει τα προηγούμενα παγκόσμια ρεκόρ των 59 megajoules (το 2021) και των 22,7 megajoules (το 1997), τα οποία σημειώθηκαν επίσης στο JET.
Οι δοκιμές που έσπασαν το προηγούμενο ρεκόρ ενέργειας σύντηξης του JET ήταν μέρος της τρίτης και τελευταίας σειράς πειραμάτων δευτερίου-τριτίου του JET.
«Ίσως ακόμα πιο ενδιαφέρον για μένα από το ρεκόρ είναι αυτό που πετύχαμε όσον αφορά τα σενάρια λειτουργίας του ITER», σχολίασε ο επικεφαλής της Ομάδας Εργασίας Tokamak του EUROfusion, Emmanuel Joffrin από το γαλλικό μέλος του EUROfusion CEA.
«Όχι μόνο δείξαμε πώς να περιορίσουμε τα έντονα θερμικά φορτία προς τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, αλλά επίσης πώς μπορούμε να φέρουμε τα όρια του πλάσματος σε σταθερή κατάσταση, αποτρέποντας έτσι τα απότομα ξεσπάσματα ενέργειας που φθάνουν στα τοιχώματα. Και οι δύο τεχνικές αποσκοπούν στην προστασία της ακεραιότητας των τοιχωμάτων των μελλοντικών μηχανών σύντηξης. Αυτή είναι η πρώτη φορά που μπορέσαμε ποτέ να δοκιμάσουμε αυτά τα σενάρια σε περιβάλλον δευτερίου-τριτίου».
Οι αναβαθμίσεις της τελευταίας δεκαετίας έχουν φέρει τις τεχνικές προδιαγραφές του JET όσο το δυνατόν πιο κοντά σε εκείνες του ITER, διευκολύνοντας μελέτες που θα επιτρέψουν σε αυτό το μελλοντικό μηχάνημα να αποδώσει γρήγορα αποτελέσματα όταν τεθεί σε λειτουργία.
Ο Δρ Pietro Barabaschi, Γενικός Διευθυντής του ITER, δήλωσε: «Σε όλο τον κύκλο ζωής του, το JET λειτούργησε εξαιρετικά ως πρόδρομος του ITER στη δοκιμή νέων υλικών, στην ανάπτυξη καινοτόμων νέων εξαρτημάτων και, ίσως το σημαντικότερο όλων, στην παραγωγή επιστημονικών δεδομένων από τη σύντηξη δευτερίου-τριτίου».
Τέλος εποχής για το JET
Το ευρωπαϊκό πείραμα Joint European Torus (JET) εγκαταστάθηκε στο Culham της Οξφόρδης στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και μέχρι το τέλος του περασμένου έτους αποτελούσε τον πιο προηγμένο πειραματικό αντιδραστήρα σύντηξης στον κόσμο. Αν και σχεδιάστηκε για να λειτουργήσει μόνο για μια δεκαετία περίπου, οι επαναλαμβανόμενες επιτυχίες του έδωσαν παράταση.
Το JET ολοκλήρωσε τις επιστημονικές του δραστηριότητες στα τέλη Δεκεμβρίου 2023. Χρηματοδοτήθηκε κυρίως από το πρόγραμμα πυρηνικής έρευνας της ΕΕ, την Euroatom και λειτούργησε υπό την εποπτεία ενός task force ειδικών από όλη την Ευρώπη.
Για τέσσερις δεκαετίες το JET φιλοξένησε επιστήμονες από το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ευρώπη, την Ελβετία και την Ουκρανία.
Στο πλαίσιο αυτό και ως μέλος της ελληνικής συμμετοχής στο ευρωπαϊκό πρόγραμμα σύντηξης αποσπάστηκε εκεί και ο Δρ. Αλειφέρης ο οποίος πλέον εργάζεται για το Κέντρο Ενέργειας Σύντηξης του Culham ως Μηχανικός Ελέγχου Πλάσματος.
Η ελληνική συμμετοχή, η οποία εδρεύει στο Εθνικό Κέντρο Ερευνών Φυσικών Επιστημών Δημόκριτος, περιλαμβάνει πολλά Πανεπιστήμια και Ερευνητικά Ιδρύματα της χώρας μεταξύ των οποίων το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, το Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας κ.α. Ωστόσο, ο Έλληνας επιστήμονας λέει πως η δουλειά για τη σύντηξη δεν σταματά εδώ. Το πρόγραμμά Fusion Futures έχει δεσμεύσει 650 εκατομμύρια £ για επενδύσεις σε έρευνα και εγκαταστάσεις, εδραιώνοντας τη θέση του Ηνωμένου Βασιλείου ως παγκόσμιου κόμβου σύντηξης.
«Μέσα από το πρόγραμμα αυτό το Ηνωμένο Βασίλειο έχει σκοπό να συνεχίσει να αναπτύσσει πειράματα όπως αυτό του MAST-U που λειτουργεί σήμερα, να προχωρήσει στον σχεδιασμό και την υλοποίηση νέων αντιδραστήρων όπως το φιλόδοξο πρόγραμμα του STEP, αλλά και να επενδύσει στην ανάπτυξη ολόκληρου του βιομηχανικού οικοσυστήματος γύρω από τις τεχνολογίες σύντηξης. Ταυτόχρονα, το Ευρωπαϊκό πρόγραμμα σύντηξης συνεχίζει το σημαντικό του έργο με Τόκαμακ που λειτουργούν σε χώρες όπως η Γερμανία, η Ελβετία, η Γαλλία, καθώς και με συμπράξεις με τρίτες χώρες όπως η Ιαπωνία, αλλά και με μικρότερες εγκαταστάσεις σε άλλες ευρωπαϊκές χώρες. Τα τελευταία χρόνια, εξαιρετική δυναμική παρουσιάζουν και οι ιδιωτικές επενδύσεις σε εταιρίες σύντηξης, οι οποίες σε παγκόσμιο επίπεδο ξεπερνούν να 6 δισ.», προσθέτει ο Δρ Αλειφέρης.
Να σημειωθεί ότι το ITER, ο διάδοχος δηλαδή, του JET εδρεύει στη Γαλλία. Αρχικά είχε προγραμματιστεί να ανοίξει το 2016 με κόστος περίπου 5 δισεκατομμύρια ευρώ, αλλά η τιμή του έχει σχεδόν τετραπλασιαστεί από τότε και η έναρξη λειτουργίας του πήγε ακόμη πιο πίσω στο 2025. Πειράματα πλήρους κλίμακας δεν προβλέπονται τουλάχιστον μέχρι το 2035.
{https://youtu.be/hQVzroA9qsE?si=BWJPS8wC3PDdmyJ_}
