ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ-ΟΡΟΣΗΜΟ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

Για περισσότερο από 60 χρόνια οι επιστήμονες προσπαθούν να ξεπεράσουν τις δύσκολες προκλήσεις της πυρηνικής σύντηξης προκειμένου να φτάσουμε σε ένα σημείο παραγωγής άφθονης και καθαρής ενέργειας.  Προσφάτως είχαμε την μεγάλη ανακοίνωση μιας μεγάλης επιστημονικής ανακάλυψης από το εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια.  Πάμε να δούμε τι συνέβη σε αυτό το εργαστήριο και πώς μπορεί αυτό να αποτελέσει μία μεγάλη ελπίδα για την ιστορία της ανθρωπότητας!

Για να δούμε όμως τι έγινε σε αυτό το εργαστήριο και να αντιληφθούμε πόσο κοντά είμαστε σε μία κοινωνία που θα απολαμβάνει καθαρή και ανεξάντλητη ενέργεια θα πρέπει πρώτα να αφιερώσουμε λίγο χρόνο προκειμένου να κατανοήσουμε το τι είναι η πυρηνική σύντηξη, τι είναι το δεύτερο, το τρίτο, το πλάσμα και ποιες είναι οι βασικές μέθοδοι που χρησιμοποιούμε για να πετύχουμε πυρηνική σύντηξη.

ΥΔΡΟΓΟΝΟ-ΔΕΥΤΕΡΙΟ- ΤΡΙΤΙΟ

Ας ξεκινήσουμε την γνωριμία μας με το υδρογόνο και τα ισότοπα του.  Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα και το συμβολίζουμε με το γράμμα Η. Ένα άτομο υδρογόνου είναι απλώς ένα και μόνο πρωτόνιο που συνθέτει τον πυρήνα και ένα ηλεκτρόνιο το οποίο βρίσκεται σε τροχιά γύρω από αυτό.  Υπάρχουν επίσης δύο σταθερά ισότοπα του υδρογόνου το πρώτο ισότοπο του είναι το δευτέριο,  το οποίο συμβολίζεται με το γράμμα D.  Η διαφορά είναι πλέον πως στον πυρήνα υπάρχει εκτός από το ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο,  το οποίο είναι ένα ουδέτερο σωματίδιο.  Το δεύτερο ισότοπο του είναι το τρίτιο, το οποίο συμβολίζεται με το γράμμα Τ και στον πυρήνα του πλέον υπάρχουν δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο.  Και τα τρία στοιχεία, το υδρογόνο, το δεύτερο και το τρίτιο,  μπορούν να αντιδράσουν με τον ίδιο τρόπο μιας και έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων να περιστρέφεται γύρω από τους πυρήνες τους με μόνη και ουσιαστική διαφορά ότι ο πυρήνας του δευτεριου είναι διπλάσιας μάζας σε σχέση με τον πυρήνα του υδρογόνου και ο πυρήνας του τριτίου να είναι τριπλάσια μάζας σε σχέση με τον πυρήνα του υδρογόνου.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΠΛΑΣΜΑ;

Αν σας ρωτούσα να μου πείτε ποιες είναι οι θεμελιώδεις καταστάσεις της ύλης, δηλαδή σε ποιες μορφές μπορούμε να συναντήσουμε κάτι, τι θα μου απαντούσετε;  Υποθέτω θα μου λέγατε πως οι τρεις καταστάσεις της ύλης είναι το στέρεο, το υγρό και το αέριο.  Κι όμως!  Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις καταστάσεις της ύλης με την τέταρτη να είναι αυτή του πλάσματος. Θα μπορούσε να το φανταστεί κανείς σαν μία αέρια καυτή σούπα η οποία περιέχει ένα σημαντικό μέρος φορτισμένων σωματιδίων, ιόντων και ηλεκτρονίων.  Πώς γίνεται τώρα αυτό…  Σκεφτείτε ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο ουσιαστικά όπως είπαμε είναι ένα πρωτόνιο που συνθέτει τον πυρήνα και ένα ηλεκτρόνιο γύρω από αυτόν.  Υπό συγκεκριμένες θερμοκρασίες και πιέσεις, υψηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις, αυτά τα ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται γύρω από τον πυρήνα απελευθερώνονται,  σπάει δηλαδή αυτός ο δεσμός μεταξύ πυρήνα και ηλεκτρονίου και έτσι έχουμε αυτήν την σούπα θετικών πυρήνων και αρνητικών ηλεκτρονίων στον χώρο.  Αυτή είναι η κατάσταση της ύλης που ονομάζουμε πλάσμα και εξαιτίας των φορτίων που φέρει το πλάσμα είναι εύκολο να αλληλεπιδράσει με ηλεκτρικά και με μαγνητικά πεδία.

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

Με όσο πιο απλά λόγια γίνεται η πυρηνική σύντηξη είναι όταν φέρουμε κοντά δύο πυρήνες κάποιων στοιχείων, παραδείγματος χάρη δύο πυρήνες υδρογόνου,  με αποτέλεσμα αυτοί να συνεννοηθούν και να προκύψει ένα νέο στοιχείο.  Η μάζα τώρα του καινούργιου στοιχείου που προέκυψε είναι μικρότερη από την μάζα αυτών που αντέδρασαν.  Αν παραδείγματος χάρη αντιδράσουν 11g ενός στοιχείου Α θα πάρουμε 10 γραμμάρια ενός στοιχείου Β.  Κοιτάξτε τώρα γιατί είναι σημαντική αυτή η διαφορά μάζας.  Στο παράδειγμα που αναφέραμε μόλις τώρα έχουμε ένα έλλειμμα μάζας της τάξεως του ενός γραμμαρίου.  Και εάν κοιτάξουμε την εξίσωση του Άλμπερτ Αϊνστάιν που συσχετίζει την ενέργεια με την μάζα και την ταχύτητα του φωτός τότε προκύπτει πως από αυτό το έλλειμμα μάζας της τάξεως του ενός γραμμαρίου απελευθερώνει  ποσά ενέργειας της τάξεως των 90 τρισεκατομμυρίων Joule,  όπως μπορείτε να δείτε με απλά μαθηματικά στον πίνακα στο πάνω δεξιό του μέρος.

Στο σημείο αυτό θα μπορούσε να δημιουργηθεί μία απορία σε κάποιον και θα ήταν η εξής:  είπαμε πως κατά την πυρηνική σύντηξη αυτό που συμβαίνει είναι ότι θα πρέπει να συνενωθούν δύο πυρήνες προκειμένου να σχηματιστεί ένα νέο στοιχείο.  Ωραία και καλά όλα μέχρι εδώ,  όμως οι πύρινες τι φορτίο έχουν;  Θετικό! Άρα λοιπόν πως θα μπορούσα να φέρω σε συνένωση δύο πυρήνες με θετικό φορτίο που όσο τους πλησιάζω αυτοί απωθούνται ολοένα και περισσότερο μεταξύ τους εξαιτίας της απωστικής  ηλεκτρικής δύναμης που αναπτύσσεται;

ΙΣΧΥΡΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ

Και εδώ είναι που στο παιχνίδι μπαίνει μία άλλη δύναμη η οποία είναι ισχυρότερη από την ηλεκτρική που απωθεί τους πυρήνες και αναφέρομαι στην ισχυρή πυρηνική δύναμη.  Το θέμα όμως είναι πως για να καταφέρουμε και να ‘ξυπνήσουμε’  να θέσουμε σε δράση αυτή τη δύναμη θα πρέπει πρώτα να φέρουμε τους δύο πυρήνες αρκετά κοντά.  Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι πολύ ισχυρότερη σε σχέση με την ηλεκτρική αλλά είναι μία δύναμη πολύ μικρής εμβέλειας,  η εμβέλεια της είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος του πυρήνα.  Αρα για να ενώσουμε δύο πυρήνες θα πρέπει αρχικά να τους φέρουμε τόσο κοντά ώστε να μπούμε στο εύρος αποστάσεων που ισχυρή πυρηνική δύναμη θα δράσει και θα κυριαρχήσει έναντι της απωστικής  ηλεκτρικής δύναμης.

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ ΣΤΟΝ ΗΛΙΟ

Και πώς θα το κάνουμε αυτό;  Ας δούμε κάποιον που το κάνει και μάλιστα με τεράστια επιτυχία!  Τον ήλιο μας,  ο οποίος αποτελείται κατά κύριο λόγο από υδρογόνο κατά 73% περίπου και από ήλιο κατά 25% . Εξαιτίας της μεγάλης μάζας του στο εσωτερικό του αναπτύσσονται τεράστιες πιέσεις οι τεράστιες θερμοκρασίες.  Η θερμοκρασία φτάνει στο εσωτερικό του τους 15 εκατομμύρια βαθμούς κελσίου.  Υπό αυτές τις πιέσεις και τις θερμοκρασίες η ύλη βρίσκεται υπό μορφήν πλάσματος.  Αυτό το πλήθος πρωτονίων που υπάρχουν τώρα στον πυρήνα του ήλιου κινείται με απίστευτες ταχύτητες εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών με αποτέλεσμα κάποιες φορές δύο πορωτόνια να συγκρούονται παρά τις απωστικές  δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Και έτσι ξεκινάει η διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης στο εσωτερικού του ήλιου την οποία θα δούμε σε τρία βήματα.

Βήμα 1^ο : Κατά τη συνένωση των δύο πρωτονίων το ένα από τα δύο μεταμορφώνεται σε νετρόνιο (η μεταμόρφωση αυτή δεν συμβαίνει μαγικά ούτε υπερφυσικά,  υπεύθυνη για αυτή τη μεταμόρφωση είναι μία άλλη δύναμη που καλούμε ως ασθενή πυρηνική αλλά δεν είναι της παρούσης)  Άρα λοιπόν προς το παρόν τι έχουμε;  Έχουμε έναν πυρήνα που έχει προκύψει ο οποίος αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο,  έναν πυρήνα δευτεριου!

Βήμα 2^ο : Το δευτέριο που έχει σχηματιστεί θα απορροφήσει ένα πρωτόνιο, υπάρχουν πολλά στο εσωτερικό του ήλιου,  σχηματίζοντας έναν πυρήνα που αποτελείται πλέον από δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο.  Έναν πυρήνα ηλίου- 3.  Κατά την διαδικασία αυτήν εκπέμπεται ένα φωτόνιο ακτίνων γάμμα/

Βήμα 3^ο : Στο τρίτο και τελευταίο βήμα ένας πυρήνας ηλίου -3 που μόλις παρήχθη από την δική μας αντίδραση και ένας ακόμα πυρήνας ήλιου- 3 που παρήχθη από μία παραδίπλα αντίδραση συγκρούονται και έτσι σχηματίζουν ένα σταθερό πλέον πυρήνα ηλίου -4.  Με αυτά τα τρία βήματα ολοκληρώνεται η διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης στον ήλιο.

Όμως πού είναι η ενέργεια σε όλη αυτή τη διαδικασία;  Ας ξεκινήσουμε με μία ερώτηση…  Πόσα πρωτόνια πιστεύετε ότι χρειάστηκαν για να γίνει αυτή η αντίδραση προκειμένου να πάρουμε το τελικό μας προϊόν, τον πυρήνα ηλίου -4;  Ας μετρήσουμε μαζί.  Χρειαστήκαμε δύο πρωτόνια στο πρώτο βήμα και ένα ακόμη πρωτόνιο στο δεύτερο βήμα προκειμένου το δεύτεριο να γίνει ήλιο- 3.  Στο τρίτο βήμα όμως το δικό μας ήλιο- 3 συγκρούστηκε με ένα ακόμα ήλιο- 3 το οποίο για να σχηματιστεί χρειάστηκε και εκείνο τρία πρωτόνια.  Άρα στο σύνολο χρειαστήκαμε προς το παρόν έξι πρωτόνια.  Αν όμως κοιτάξετε προσεκτικά στον πίνακα θα δείτε πως στο τελευταίο βήμα απελευθερώνονται δύο πρωτόνια.  Το συμπέρασμα λοιπόν είναι πως : 6 χρειαστήκαμε μείον 2 που απελευθερώθηκαν άρα για να πάρω το τελικό μου προϊόν δεσμεύτηκαν τέσσερα πρωτόνια.

Ο τελικός πυρήνα ηλίου- 4 έχει μικρότερη μάζα σε σχέση με τα τέσσερα πρωτόνια που δεσμεύτηκαν για τον σχηματισμό του. Εξαιτίας αυτής της διαφοράς μάζας από την αντίδραση που περιγράψαμε εκπέμπονται τεράστια ποσά ενέργειας, όπως είχαμε αναφέρει αρχικά σύμφωνα με την εξίσωση του Αϊνστάιν η οποία συνδέει την ενέργεια με τη μάζα και την ταχύτητα του φωτός.

Και αφού κατανόησαμε τά του ήλιου ας έρθουμε στα δικά μας.  Η πρώτη σκέψη που θα μπορούσε να κάνει κάποιος θα ήταν:  ωραία!  αφού ο ήλιος κάνει σύντηξη με υδρογόνο ας κάνουμε και εμείς … αφού δουλεύει εξαιρετικά!

Κάτι που δεν αναφέραμε προηγουμένως στην αντίδραση που συμβαίνει στον ήλιο είναι η εξαιρετική σπανιότητα της αντίδρασης.  Όταν δύο πυρήνες υδρογόνου, δηλαδή δύο πρωτόνια,  έρθουν σε επαφή το πιθανότερο είναι να σχηματιστεί ένας πυρήνας ηλίου -2, ο οποίος είναι αρκετά ασταθής και διασπάται σχεδόν άμεσα,  επιστρέφοντας πίσω τα δύο πρωτόνια.  Κατά τη διαδικασία και εκπέμπονται  μικρά ποσά ενέργειες.  Για τον ήλιο βέβαια αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα μιας και έχει όλο τον χρόνο με το μέρος του και επίσης έχει μία τεράστια ποσότητα ατόμων υδρογόνου που μπορεί  με τις έντονες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας να παίζει συνεχώς με τις πιθανότητες μέχρι να του κάτσει η σωστή αντίδραση.  Εμείς όμως δεν έχουμε τον χρόνο,  τις συνθήκες και τα χρήματα προκειμένου να ξοδέψουμε τεράστια ποσά ενέργειας για να περιμένουμε πότε τα δύο πρωτόνια θα αντιδράσουν με την επικερδή διαδικασία.  Για τον παραπάνω λόγο χρησιμοποιούμε για τις πυρηνικές μας σύντηξης το δεύτεριο και το τρίτιο τα οποία  όταν συνδεθούν έχουμε αρκετά μεγάλη πιθανότητα να σχηματίσουν έναν πυρήνα ηλίου -4 απελευθερώνοντας ένα τεράστιο ποσό ενέργειας.

ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΣΥΝΤΗΞΗΣ

Πώς μπορούμε τώρα να πετύχουμε αυτή την σύνδεση;  Είπαμε πόσο στο εσωτερικό του ήλιου η θερμοκρασία φτάνει τους 15 εκατομμύρια βαθμούς κελσίου και έχουμε και απίστευτες πιέσεις εξαιτίας της μεγάλης μάζας του ήλιου.  Αν θα θέλαμε λοιπόν να αντιγράψουμε την επιτυχία του θα έπρεπε να πετύχουμε τη θερμοκρασία των 15 εκατομμυρίων βαθμών κελσίου, το οποίο είναι εργαστηριακά εφικτό,  και θα έπρεπε για να αντιγράψουμε τις συνθήκες πίεσης του να φτιάξουμε ένα εργοστάσιο πυρηνικής σύντηξης το οποίο θα είναι ίδιας μάζας με αυτήν του ήλιου.  Εδώ αντιλαμβάνεστε πως τα πράγματα δεν είναι και τόσο εύκολα.  Άρα λοιπόν εφόσον δεν μπορούμε να έχουμε τις ίδιες πιέσεις με αυτές που έχει ο ήλιος, τι πρέπει να κάνουμε;  Να αυξήσουμε τα επίπεδα θερμοκρασίας στην πυρηνική σύντηξη φτάνοντας τους 50, 70 ή και 100 εκατομμύρια βαθμούς κελσίου!

Επί του παρόντος υπάρχουν δύο κυρίες πειραματικές προσεγγίσεις για την πυρηνική σύντηξη.  Η πρώτη είναι μέσω ενός μαγνητικού περιορισμού όπου ουσιαστικά χρησιμοποιούνται ισχυρά μαγνητικά πεδία τα οποία συγκρατούν το πλάσμα σε μία συσκευή-σωλήνα , που μοιάζει με ένα γιγάντιο donut,  και έπειτα αυξάνουμε την θερμοκρασία προκειμένου να αναπτυχθούν μεγαλύτερες ταχύτητες των πυρήνων δευτερίου και τριτίου ώσπου θα συγκρουστούν και θα πετύχουμε την σύντηξη.  Η δεύτερη μέθοδος είναι μία διαδικασία που χαρακτηρίζεται ως μέθοδος αδρανειακού περιορισμού,  στην οποία έχουμε το υλικό που θέλουμε να φέρουμε σε συνέντευξή συμπιεσμένο σε ένα μικρό σφαιρίδιο, φανταστείτε το σε μέγεθος ενός σπόρου καλαμποκιού,  και με την χρήση laser αυξάνουμε την θερμοκρασία έως ότου συμβεί μία έκρηξη προς τα έξω αλλά και προς τα μέσα, συμπιέζοντας τόσο πολύ το υλικό προκαλώντας την πυρηνική σύντηξη.

ΓΙΑ ΠΡΩΤΗ ΦΟΡΑ ΘΕΤΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Μέχρι πριν από την πρόσφατη μεγάλη ανακοίνωση, ότι δηλαδή επετεύχθη για πρώτη φορά πυρηνική σύντηξη με θετικό ισοζύγιο ενέργειας,  και οι δύο μέθοδοι που αναφέραμε είχαν ένα κοινό χαρακτηριστικό.  Η ενέργεια που παράγονταν από την σύντηξη ήταν μικρότερη από την ενέργεια που προσφέραμε προκειμένου να γίνει η σύντηξη.  Αν παραδείγματος χάρη ξοδεύαμε 2MJ ενέργειας για να συμβεί σύντηξη τότε αυτή έδινε πίσω 1MJ.  Συνεπώς δεν επρόκειτο για πετυχημένη παραγωγή ενέργειας αλλά για ακόμα ένα επιστημονικό πείραμα προκειμένου να εξάγουμε νέα συμπεράσματα και δεδομένα.  Στις 5 Δεκεμβρίου του 2022 ανακοινώθηκε από το εθνικό εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια ότι πραγματοποιήθηκε με επιτυχία πυρηνική σύντηξη με τη διαδικασία του αδράνειακου περιορισμού στην οποίαν προσφέρθηκαν 2,05 MJ ενέργειας και η σύνδεση απελευθέρωσε 3,15 MJ ενέργειας,  περίπου 50% περισσότερη ενέργεια σε σχέση με την ενέργεια που τα λέιζερ προσέφεραν στο υλικό προς σύντηξη.

Στο σημείο όμως αυτό να αναφέρουμε μία μικρή αλλά σημαντική λεπτομέρεια, χωρίς να μειώσουμε το γιγάντιο και ελπιδοφόρο μήνυμα αυτής της ανακάλυψης.  Είπαμε πως το λέιζερ προσέφερε σε αυτό το σφαιρίδιο δεύτερου τέτοιου 2,05 MJ ενέργειας και αυτό είναι αληθές, όμως για να λειτουργήσει όλη αυτή η εγκατάσταση,  η μεγαλύτερη εγκατάσταση laser σε όλο τον κόσμο και τα 192 laser να εστιάσουν στον στόχο τους ξοδεύτηκαν περίπου 300 MJ ενέργειας μέχρις ότου τα λέιζερ εστιάσουν και προσφέρουν στον στόχο τα 2,05 MJ ενέργειας.  Άρα συνολικά είμαστε ακόμα αρκετά μείον. 300 MJ ξοδεύτηκαν, 3 MJ πήραμε.  Το θέμα όμως είναι πως για πρώτη φορά συμβαίνει σύντηξη  με θετικό ισοζύγιο ενέργειας κατά την διαδικασία ‘εισόδου-εξόδου’  στην αντίδραση της σύντηξης.  Και τι μας λέει αυτό;  Μας λέει πως από μεριάς φυσικής γίνετα!!!  Τώρα ανοίγει ένας νέος δρόμος προκειμένου να βρεθούν τρόποι να ρίξουμε όσο γίνεται τα κόστη ενέργειας και να βρούμε αποδοτικότερους τρόπους προκειμένου να πάρουμε αυτήν την ενέργεια και να τη χρησιμοποιήσουμε στην καθημερινότητά μας.

Τα νέα είναι υπέροχα και το μέλλον προβλέπεται συναρπαστικό. Ένα μέλλον γεμάτο αισιοδοξία!

Ένα μέλλον με καθαρή και ανεξάντλητη ενέργεια!