Το ισχυρότερο λέιζερ του κόσμου στα πρόθυρα ιστορικής επιτυχίας για την πυρηνική σύντηξη

Μπορούμε να πούμε ότι ήταν μια εκρηκτική επιτυχία: αμερικανικό εργαστήριο που χρησιμοποιεί το ισχυρότερο λέιζερ του κόσμου για να βομβαρδίσει μικροσκοπικές κάψουλες με υδρογόνο ανακοίνωσε ότι πέτυχε θεαματική αύξηση στην παραγωγή ισχύος, φέρνοντας ένα βήμα πιο κοντά την εποχή της ανεξάντλητης, καθαρής ενέργειας από σύντηξη.

Στις 8 Αυγούστου, η Εθνική Εγκατάσταση Πυροδότησης (NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο «Λόρενς Λίβερμορ» της Καλιφόρνια απέδωσε στιγμιαία 1,35 megajoule ενέργειας, περίπου όσο η κινητική ενέργεια ενός αυτοκινήτου που κινείται με 160 χιλιόμετρα την ώρα, αναφέρει το Science.

Το πείραμα δεν πέτυχε μεν τον στόχο να παραγάγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι κατανάλωσε –ένα κρίσιμο όριο για οποιαδήποτε πρακτική εφαρμογή- ωστόσο αύξησε την παραγόμενη ισχύ κατά οκτώ φορές, σε σχέση με το προηγούμενο ρεκόρ του NIF.

Αυτή τη φορά, η παραγόμενη ενέργεια έφτασε το 70% της ενέργειας που κατανάλωσαν οι δέσμες λέιζερ. «Έπειτα από πολλά χρόνια που περάσαμε στο επίπεδο του 3%, η εξέλιξη είναι σούπερ συναρπαστική» σχολίασε ο Μαρκ Χέρμαν, επικεφαλής του προγράμματος σύντηξης στο Εθνικό Εργαστήριο «Λόρενς Λίβερμορ».

«Τα αποτελέσματά μας είναι σημαντικό βήμα προκειμένου να κατανοήσουμε τι απαιτείται για να λειτουργήσει. Για μένα, είναι μια στιγμή αντίστοιχη με την επιτυχία των αδελφών Ράιτ» δήλωσε στο CNBC ο Ομάρ Χάρικεϊν, επικεφαλής επιστήμονας στο Πρόγραμμα Σύντηξης Αδρανιακού Περιορισμού του εργαστηρίου.

Τα θεαματικά αποτελέσματα θα υποβληθούν για έλεγχο και δημοσίευση στον επιστημονικό Τύπο, ανέφερε το εργαστήριο σε δελτίο Τύπου. Οι ανακοινώσεις αυτού του είδους συνήθως έρχονται μαζί με την αντίστοιχη δημοσίευση στην επιστημονική βιβλιογραφία, όμως «τα νέα διαδόθηκαν γρήγορα λόγω του μεγέθους του επιτεύγματος, οπότε θεωρήσαμε ότι ήταν σημαντικό να ανακοινώσουμε τα δεδομένα» δήλωσε εκπρόσωπος του εργαστηρίου στο CNBC.

Συνολικά 192 δέσμες λέιζερ στοχεύουν μια μικρή κάψουλα στο κέντρο της μεταλλικής σφαίρας (Philip Saltonstall)

Σύντηξη

Η πυρηνική σύντηξη, ουσιαστικά το αντίθετο της πυρηνικής σχάσης, είναι η αντίδραση που τροφοδοτεί με ενέργεια τα άστρα και τις θερμοπυρηνικές βόμβες. Κάτω από συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας και πίεσης, άτομα υδρογόνου ενώνονται, σχηματίζουν άτομα ήλιου και απελευθερώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας.

Σε αντίθεση με τη σχάση, η οποία χρησιμοποιεί ουράνιο ή άλλα ραδιενεργά καύσιμα, η σύντηξη μπορεί θεωρητικά να λειτουργήσει με ισότοπα υδρογόνου από τη θάλασσα και δεν αφήνει επικίνδυνα πυρηνικά απόβλητα.

Σε όλο τον κόσμο πραγματοποιούνται εδώ και χρόνια πειράματα σύντηξης, ωστόσο κανένα δεν έχει καταφέρει μέχρι στιγμής να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει. Η μεγαλύτερη πειραματική εγκατάσταση σύντηξης, ο πειραματικός θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας ITER που κατασκευάζεται στη Γαλλία, δεν αναμένεται να δώσει αποτελέσματα σε λιγότερο από μια δεκαετία.

Ο ITER ακολουθεί μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση από το NIF, καθώς θα χρησιμοποιεί μικροκύματα και μαγνητικά πεδία για να θερμάνει υδρογόνο μέσα σε έναν περίπλοκο αντιδραστήρα που ονομάζεται τόκαμακ. Το υδρογόνο πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, πάνω από τη θερμοκρασία που επικρατεί στο κέντρο του Ήλιου.

O ITER (Διεθνής Πειραματικός Θερμοπυρηνικός Αντιδραστήρας) βρίσκεται υπό κατασκευή στο Κανταράς της νότιας Γαλλίας (Πηγή: Ευρωπαϊκή Επιτροπή)

Πώς λειτουργεί το πείραμα στο NIF

Η Εθνική Εγκατάσταση Πυροδότησης, σε λειτουργία από το 2010, δημιουργήθηκε για τη μελέτη της ασφάλειας του αμερικανικού πυρηνικού οπλοστασίου, καθώς μπορεί να φτάνει τις συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας που θα καταγράφονταν στο κέντρο μιας πυρηνικής έκρηξης. Τα πειράματα σύντηξης είναι απλά μια παράλληλη, δευτερεύουσα δραστηριότητα.

Το γιγάντιο λέιζερ της εγκατάστασης, η οποία καταλαμβάνει επιφάνεια τριών ποδοσφαιρικών γηπέδων, χωρίζεται σε 192 δέσμες που στοχεύουν στο κέντρο μιας μεταλλικής σφαίρας με διάμετρο μερικών μέτρων.

Στο κέντρο της σφαίρας, οι δέσμες καταλήγουν σε μια κάψουλα από χρυσό, σε μέγεθος γομολάστιχας, η οποία περικλείει ένα μικρός σφαιρίδιο, όσο ένας κόκκος πιπεριού. Μέσα στο σφαιρίδιο βρίσκονται τα «καύσιμα», δύο ισότοπα υδρογόνου που ονομάζονται δευτέριο και τρίτιο.

Ο παλμός ακτινοβολίας λέιζερ εξαερώνει τη χρυσή κάψουλα, η οποία εκπέμπει ακτίνες Χ που με τη σειρά τους πιέζουν το σφαιρίδιο. Το υδρογόνο συμπιέζεται έτσι μέχρι να ξεπεράσει κατά 100 φορές την πυκνότητα του μολύβδου και θερμαίνεται στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, επίπεδα που επιτρέπουν την έναρξη θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.

Σύμφωνα με την ανακοίνωση του NIF, το πείραμα της 8^ης Αυγούστου δημιούργησε «ένα υπέρθερμο σημείο με διάμετρο όσο μια ανθρώπινη τρίχα, παράγοντας πάνω από 10 τετράκις εκατομμύρια watt ενέργειας για 100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου».

Ο δρ Χέρμαν, ο επικεφαλής του προγράμματος, δήλωσε στο Science πως όταν ενημερώθηκε για την απόδοση του πειράματος αρχικά ανησύχησε ότι κάτι δεν πήγαινε καλά με τα όργανα. Όταν τελικά επιβεβαιώθηκε ότι η μέτρηση ήταν σωστή, «πράγματι άνοιξα ένα μπουκάλι σαμπάνια» είπε.

Ωστόσο το NIF απέχει πολύ από την απόδοση που απαιτείται για την εμπορική αξιοποίηση της σύντηξης, δεδομένου ότι και αυτή τη φορά τα λέιζερ κατανάλωσαν περισσότερη ενέργεια από ό,τι απελευθέρωσε το σφαιρίδιο υδρογόνου.

Ακόμα και όταν η απόδοση αυξηθεί από το 70% σε πάνω από 100%, για την πρακτική αξιοποίηση της προσέγγισης θα απαιτείτο ο βομβαρδισμός πάνω από δέκα σφαιριδίων υδρογόνου το δευτερόλεπτο.