Καθαρή & άφθονη ενέργεια πυρηνικής σύντηξης: Μόλις ανακοινώθηκε μία από τις σπουδαιότερες ανακαλύψεις στην Ιστορία

Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν σήμερα ότι πέτυχαν ένα «τεράστιο επιστημονικό επίτευγμα» στον τομέα της πυρηνικής σύντηξης, μια μέθοδος που θα μπορούσε κάποια μέρα να φέρει επανάσταση στην παραγωγή ενέργειας στη Γη.
Σε ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε την περασμένη εβδομάδα «παρήχθη από τη σύντηξη περισσότερη ενέργεια από όση κατανάλωσαν τα λέιζερ» που χρησιμοποιήθηκαν, εξήγησε το εργαστήριο Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) της Καλιφόρνιας το οποίο υπάγεται στο υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.
Η πυρηνική σύντηξη, εφόσον κάνει το άλμα από τα επιστημονικά εργαστήρια στην εμπορική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τις επόμενες δεκαετίες, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.
Σύμφωνα με το υπουργείο Ενέργειας, το πείραμα έγινε στις 5 Δεκεμβρίου και για πρώτη φορά οι επιστήμονες του LLNL πέτυχαν να παραχθεί καθαρό κέρδος (net gain) ενέργειας από τη σύντηξη δύο ελαφρών ατόμων υδρογόνου σε ένα βαρύτερο.
Η Αράτι Πραμπάκαρ, η διευθύντρια του Γραφείου Επιστημών και Τεχνολογίας του Λευκού Οίκου, είπε ότι το πείραμα συνιστά «ένα τεράστιο παράδειγμα του τι μπορούμε να επιτύχουμε με την επιμονή».
Η σύντηξη είναι η αντίδραση που τροφοδοτεί τον Ήλιο και οι επιστήμονες επιδίωκαν εδώ και δεκαετίες να την επιτύχουν και στη Γη.
Πυρηνικοί επιστήμονες εκτός του LLNL είπαν ότι το επίτευγμα αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα, όμως απομένουν ακόμη να γίνουν πολλά μέχρι να καταστεί η σύντηξη εμπορικά βιώσιμη. Ο Τόνι Ράουλστοουν, ειδικός σε θέματα πυρηνικής ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, εκτιμά ότι η παραγωγή ενέργειας στο πείραμα ήταν μόλις το 0,5% της ενέργειας που χρειάστηκε για να τεθούν αρχικά σε λειτουργία τα λέιζερ. «Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι το αποτέλεσμα αυτό (…) είναι μια επιτυχία για την επιστήμη. Όμως ακόμη είναι πολύ μακριά από την παραγωγή χρήσιμης, άφθονης, καθαρής ενέργειας», σχολίασε.
Η βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας χαιρέτισε επιφυλακτικά την πρόοδο αυτή, τονίζοντας όμως ότι για να επιτευχθεί η ενεργειακή μετάβαση η σύντηξη δεν θα πρέπει να επιβραδύνει τις προσπάθειες για την προώθηση άλλων εναλλακτικών λύσεων, όπως είναι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια και η πυρηνική σχάση. «Είναι το πρώτο βήμα που μας λέει ότι ‘Ναι, δεν είναι απλώς μια φαντασία, μπορεί να γίνει, θεωρητικά’» σχολίασε ο Άντριου Σόουντερ, ειδικός σε θέματα τεχνολογίας στο EPRI, έναν μη κερδοσκοπικό οργανισμό ενεργειακής έρευνας και ανάπτυξης.

Explainer: Τι είναι η πυρηνική σύντηξη και γιατί έχει τόση σημασία;
Ο Θεόδωρος Μερτζιμέκης, αναπληρωτής καθηγητής Πειραματικής Πυρηνικής Φυσικής στο ΕΚΠΑ, μας εξηγεί όσα χρειάζεται να ξέρουμε για την «επιστημονική ανακάλυψη του αιώνα».

Δημήτρης Λαμπράκης
Πόσο σημαντικά είναι όλα όσα ακούγονται για την πυρηνική σύντηξη τις τελευταίες ώρες;
Μιλήσαμε με τον Θεόδωρο Μερτζιμέκη, αναπληρωτή καθηγητή στο τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ, το ερευνητικό πεδίο του οποίου είναι η Πειραματική Πυρηνική Φυσική, και μας εξήγησε όλα όσα χρειάζεται να ξέρουμε για το τι συμβαίνει αυτή τη στιγμή.
Έχουμε να κάνουμε όντως με ένα breakthrough;
Τι είναι η πυρηνική σύντηξη και ποια η διαφορά της από την πυρηνική σχάση;
Η πυρηνική σύντηξη είναι μια διαδικασία, στην οποία δύο πολύ ελαφρά χημικά στοιχεία (τα λέμε ισότοπα γιατί κυρίως ασχολούμαστε με τους πυρήνες τους) συνδέονται, έρχονται πολύ κοντά και στην ουσία λιώνουν μαζί. Ενώνουμε δηλαδή τα δύο σώματα και τα κάνουμε ένα. Σαν δυο μικρά κομματάκια πλαστελίνης, τα οποία με πολύ κόπο και πολλή ενέργεια τα φέρνουμε κοντά για να φτιάξουμε ένα καινούργιο κομμάτι.
Από αυτή τη διαδικασία, και επειδή υπάρχουν συγκεκριμένες φυσικές αρχές όπως αυτές που έχει περιγράψει ο Αϊνστάιν για παράδειγμα με το E=mc2, μπορούμε εμείς να κερδίσουμε ενέργεια. Να βγάλουμε δηλαδή ενέργεια από το σύστημα.
Στην πυρηνική σχάση παίρνουμε κάποιον βαρύ πυρήνα, συνήθως σαν αυτούς που έχουμε στους υπάρχοντες πυρηνικούς αντιδραστήρες, που χρησιμοποιούν ουράνιο ή πλουτώνιο και τον βομβαρδίζουμε με νετρόνια, δηλαδή σωματίδια ουδέτερου φορτίου. Είναι σαν να έχουμε ένα πυρηνικό μαχαίρι και να κόβουμε τον πυρήνα που είναι μέσα στο πυρηνικό καύσιμο, όπως το λέμε.
Έτσι παίρνουμε δύο κομμάτια, τα οποία είναι συνήθως ασύμμετρα, δεν κόβουμε τον πυρήνα ακριβώς στη μέση. Αλλά σε κάθε περίπτωση, πάλι από αυτήν τη διαδικασία, με το κόψιμο του πυρήνα σε δύο ή μερικές φορές και σε τρία κομμάτια, κερδίζουμε πάλι ενέργεια.
Και οι δύο αυτές διαδικασίες τι είναι ουσιαστικά; Έχουμε κρυμμένη πυρηνική ενέργεια μέσα στον πυρήνα, την οποία με τη συγκεκριμένη πυρηνική αντίδραση –στη μία περίπτωση με τη σύντηξη, στην άλλη με τη σχάση– μπορούμε να την εκμαιεύσουμε, να τη βγάλουμε εκτός και να τη χρησιμοποιήσουμε περαιτέρω.
Τι πυρήνες χρησιμοποιούνται συνήθως στη σύντηξη;
Σύντηξη καταρχάς συμβαίνει ήδη στο σύμπαν κατά κόρον. Στο διπλανό μας αστέρι, στον ήλιο, είναι η σύντηξη εκείνη η διαδικασία που τροφοδοτεί την ενέργεια και δημιουργεί το φως το οποίο εκπέμπει.
Η πυρηνική σύντηξη χρησιμοποιεί ελαφριά ισότοπα, όπως είναι για παράδειγμα ισότοπα του υδρογόνου, το δευτέριο και το τρίτιο. Είναι ίσως το πιο κοινό ζευγάρι που θα βρείτε στην πυρηνική σύντηξη. Υπάρχει και η σύντηξη δευτερίου με δευτερίο, υπάρχουν και κάποιες θεωρίες για το λίθιο. Προς το παρόν, αυτά που πειραματικά χρησιμοποιούνται είναι κυρίως αντιδράσεις ανάμεσα σε δευτέριο με δευτέριο ή δευτέριο με τρίτιο. Τι έχετε μάθει σχετικά με τα πρόσφατα αποτελέσματα πειραμάτων σύντηξης; Πόσο εντυπωσιακά σας φαίνονται;
Πρέπει να διαχωρίσουμε κάποια θέματα. Ένα θέμα πολύ βασικό είναι ότι οι τελευταίες ανακοινώσεις σήμερα και χτες μιλάνε για μια κατάσταση στην οποία, μέσω της πειραματικής σύντηξης, κάποιος βάζει ένα ποσό ενέργειας το οποίο χρησιμοποιεί για τα μηχανήματά του (λέιζερ και οτιδήποτε άλλο έχει στη διάθεσή του) και από αυτό το ποσό παίρνει κάτι παραπάνω. Δηλαδή καταφέρνει να είναι αποδοτικός, εκμαιεύοντας κάποιο έξτρα ποσό ενέργειας.
Στην περίπτωση αυτή είναι πάρα πολύ σημαντικό καταρχάς να καταλάβουμε πώς γίνεται η διαδικασία. Και νομίζω ότι το επίτευγμα το οποίο έχει ανακοινωθεί έχει να κάνει κυρίως με το επιστημονικό κομμάτι κι όχι τόσο με το εμπορικό. Όχι τόσο δηλαδή με το κομμάτι της εμπορικής εκμετάλλευσης αυτής της ενέργειας.
Όπως καταλαβαίνω από αυτά που πρόλαβα κι εγώ να διαβάσω τις τελευταίες ώρες, κι εφόσον αντιλαμβάνομαι σωστά το τι έχει γίνει, ο ερευνητής έχει καταφέρει να τιθασεύσει μέσα στο εργαστήριο τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να γίνει αυτή η πάνω από το 100% απόδοση ενέργειας, μέσω του συστήματος της πυρηνικής σύντηξης.
Από εκεί και πέρα όμως, αφού κατανοήσουμε το πώς δουλεύει όλος ο μηχανισμός, πώς δουλεύει η συσκευή μας στο εργαστήριο, πώς μπορούμε να ελέγξουμε όλες τις συνθήκες και τις παραμέτρους ώστε να είναι κάτι που μπορεί να διατηρηθεί σε κάποιο σημαντικό χρονικό διάστημα, τότε θα πρέπει να περιμένουμε λίγο για να δούμε αν μπορούμε να κάνουμε το παραπάνω βήμα για το αν μπορούμε να πάμε σε εμπορική εκμετάλλευση.
Δεν νομίζω ότι είναι ακόμα έτοιμο κάποιο εργαστήριο στον κόσμο, όποια τεχνολογία κι αν χρησιμοποιεί, να μας δώσει εμπορικά εκμεταλλεύσιμη ενέργεια από πυρηνική σύντηξη. Ωστόσο, είναι πολύ μεγάλο, πολύ καινοτόμο βήμα το να μπορέσουμε να πάμε σε αυτήν την παραπάνω από 100% απόδοση από τη σύντηξη.
Και το γεγονός ότι καταλαβαίνουμε πώς γίνεται είναι τρομερό. Είναι πολύ σημαντικό και για την τεχνολογία στην οποία θα χρησιμοποιηθεί, αλλά και γιατί καταλαβαίνουμε ακριβώς πώς δουλεύει το σύστημα στο μικροσκοπικό του επίπεδο, μέσα δηλαδή στους πυρήνες.
Πριν από περίπου μια δεκαετία κυκλοφορούσαν ευρέως φήμες για τη δημιουργία μιας μεθόδου ψυχρής σύντηξης. Πόσο πιθανό είναι όλο αυτό να εξελιχθεί σε hoax, όπως και τότε;
Αυτή ήταν μια πολύ διαφορετική προσέγγιση. Υπήρχαν αρκετές θεωρίες ήδη από τη δεκαετία του 2000, και λίγο νωρίτερα. Υπήρχαν κάποια μεμονωμένα γκρουπ στην Αμερική που μιλούσαν για χαμηλής ενέργειας nuclear fusion, όπως ονομάζεται στα αγγλικά η πυρηνική σύντηξη, χρησιμοποιώντας άλλες τεχνικές.
Υπάρχουν κάποιες μελέτες, αλλά είναι γενικά ετερόκλητες οι αναφορές. Τα πειράματα τα οποία έχουν προταθεί και υποτίθεται ότι έχουν δείξει αυτήν την ψυχρή σύντηξη δεν είναι επαναλήψιμα. Δηλαδή δεν έχουν επιβεβαιωθεί από ανεξάρτητους ερευνητές. Οπότε εκεί υπάρχει μια επιφύλαξη από την κοινότητα, αλλά και γενικότερα για το αν πραγματικά μπορεί να επιτευχθεί αυτή η ψυχρή σύντηξη.
Υπάρχει περίπτωση να έχουν γίνει λάθη στις μετρήσεις;
Προφανώς κρατάμε πάντα ένα μικρό καλαθάκι, γιατί πρέπει να σκεφτούμε τα εξής: Εγώ για να βγάλω μία απόδοση παραπάνω από 100%, να το ανακοινώσω και να είμαι σίγουρος ότι όλα δουλεύουνε καλά, θα πρέπει να είμαι 100% σίγουρος ως ερευνητής ότι το ποσό ενέργειας που έχω δαπανήσει είναι όντως μικρότερο από αυτό το οποίο έχω τελικά παραγάγει.
Εκεί λοιπόν υπάρχουν πάρα πολλές λεπτομέρειες που πρέπει να ελεγχθούν. Να δούμε, για παράδειγμα, τα λέιζερ που χρησιμοποιήθηκαν τι ενέργεια πραγματικά κατανάλωσαν, το δίκτυο, οι υπολογιστές που χρησιμοποιήθηκαν, οι συσκευές ανάγνωσης, οι ανιχνευτές κ.λπ. Όλα δηλαδή εκείνα τα όργανα τα οποία συνδέονται με τη συσκευή παραγωγής. Θα πρέπει να είμαστε σίγουροι ότι τα ελέγχουμε και ότι καταγράφουμε ακριβώς πόσο έχουν ξοδέψει.
Αν αυτό όντως έχει γίνει, τότε νομίζω ότι είμαστε ok. Αλλά η επιστημονική μέθοδος ουσιαστικά μας επιβάλλει να μπορούμε να ελέγχουμε ξανά και ξανά τα αποτελέσματα. Μέσω λοιπόν της επαναληπτικότητας είμαστε σίγουροι ότι αυτό το οποίο φτιάξαμε πραγματικά γίνεται με τον τρόπο που έχουμε υποδείξει στην αρχική ανακοίνωση.
Θεωρώ, δηλαδή, ότι αν βγαίνει ένα εργαστήριο και λέει επίσημα κάποια πράγματα, τότε υπάρχει από πίσω κάποιος έλεγχος. Πάντα, βέβαια, θα πρέπει να υπάρχει ένας ανεξάρτητος έλεγχος στα ευρήματα.
Τίθεται υπό αμφισβήτηση κάποια φυσική θεώρηση από το αποτέλεσμα, όπως π.χ. οι θερμοδυναμικοί νόμοι;
Όχι, είναι λίγο πιο απλό το θέμα. Καταλαβαίνω ότι κάποιος μπορεί να αναρωτηθεί «πώς εγώ δίνω 100 και παίρνω 101»; Στην πραγματικότητα αυτό που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι με τη μέθοδο αυτή απομυζούμε ενέργεια, η οποία είναι ήδη κρυμμένη μέσα στους πυρήνες. Η ενέργεια αυτή δεν είναι εκμεταλλεύσιμη, γιατί κρατάει τα συστατικά του πυρήνα.
Ας πάμε λίγο πιο πίσω. Το δευτέριο είναι ένα πολύ απλό ισότοπο, το οποίο έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου. Αν έχω έναν πυρήνα δευτερίου, έχω στην ουσία ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, τα οποία με κάποιον τρόπο συγκρατούνται. Ο τρόπος που συγκρατούνται είναι μια ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, όπως τη λέμε.
Θα μπορούσε κανείς να παρομοιάσει αυτήν την αλληλεπίδραση με μια κόλλα ή ένα ελατήριο. Κι όπως όταν ένα ελατήριο το οποίο είναι συμπιεσμένο το σπάσουμε, αυτό εκτινάσσεται και απελευθερώνει ενέργεια, με ανάλογο τρόπο (όχι τον ίδιο) αυτό που κάνουμε εμείς στη διαδικασία της σύντηξης –αλλά και της σχάσης– είναι ότι αυτή την έξτρα κόλλα που χρειαζόταν για να συγκρατήσει ενωμένα τα συστατικά την απελευθερώνουμε προς τα έξω.
Άρα δεν παράγουμε παραπάνω ενέργεια. Απλά με την ενέργεια που δίνουμε ισοφαρίζουμε την ενέργεια που έχουμε ξοδέψει και βγάζουμε και κάτι παραπάνω από αυτήν την ενέργεια σύνδεσης, όπως λέμε, του πυρήνα.
Ανέφερα προηγουμένως την εξίσωση του Αϊνστάιν, που ουσιαστικά περιγράφει πώς ένα ποσό μάζας μπορεί να απελευθερωθεί ως ενέργεια ή το αντίστροφο. Πώς ένα ποσό ενέργειας μπορεί να δαπανηθεί για να κρατήσει μια μάζα κάπου δεδομένη.
Η διαδικασία χρειάζεται διαρκή προσφορά ενέργειας ή μόνο στην αρχή της;
Χρειάζεται συνεχή προσφορά και αυτό ακριβώς είναι το επίτευγμα εδώ. Οι ερευνητές ρίχνουν στο εργαστήριο κάποια πολύ ισχυρά λέιζερ, με κάποιους μικροπαλμούς οι οποίοι διαρκούν κάποια εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Αυτά τα λέιζερ λειτουργούν συνεχώς και υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία ακτινοβολούν.
Αυτό το οποίο γίνεται στη συγκεκριμένη μεθοδολογία και τεχνική είναι ότι μεταφράζεις την ενέργεια που στέλνει διαρκώς το λέιζερ, από τη μία σε ένα ποσό που δαπανάται για να γίνει η σύντηξη και από την άλλη σε ένα εκλυόμενο ποσό που υπερβαίνει το αρχικό.
Υπάρχουν διάφορες τεχνικές λεπτομέρειες, φυσικά, που ξεφεύγουν από τον σκοπό της σημερινής μας συζήτησης.
Άρα είναι πιο ασφαλής και οικολογική από την πυρηνική σχάση;
Βέβαια. Το μεγαλύτερο αβαντάζ που έχει η σύντηξη είναι το γεγονός ότι δεν παράγει καθόλου ραδιενεργά απόβλητα, κατάλοιπα δηλαδή της διαδικασίας. Δεν θα παραγάγει πυρήνες, οι οποίοι ουσιαστικά να μένουν πάρα πολλά χρόνια, να αποσυντίθενται με κάποιο ρυθμό και να παράγουν ακτινοβολία, η οποία να είναι βλαβερή για τον άνθρωπο ή για το περιβάλλον. Ουσιαστικά η διαδικασία μας δίνει τελικά το στοιχείο ήλιο και άλλα αέρια τελείως αδρανή, που δεν έχουν ραδιενέργεια.
Το μειονέκτημα είναι ότι είναι πολύ πιο δύσκολο να την πετύχεις. Είμαστε λοιπόν σε αυτό το σημείο τώρα, που με αυτήν την καινοτόμα ανακοίνωση υποτίθεται ότι είμαστε έτοιμοι να περάσουμε τον φραγμό. Να μπορέσουμε να έχουμε τουλάχιστον μια πιο συστηματική κατανόηση της σύντηξης στην παραγωγή ενέργειας.
Οπότε κατά μία έννοια δημιουργούμε μικρά άστρα στη γη;
Τα δημιουργούμε συνεχώς. Αλλά είναι πολύ εντοπισμένα και πάρα πολύ μικρά. Μιλάμε πάντα στο επίπεδο του πυρήνα. Είναι δηλαδή κάποια μικροσκοπικά αστεράκια. Δεν πρόκειται κάποιος να έχει τόσο μεγάλες ενέργειες ή μάζες για να φτιάξει ένα πραγματικό άστρο.
Όμως, ουσιαστικά η ίδια διαδικασία που συμβαίνει στον ήλιο ή σε κάποιο μακρινό άστρο συμβαίνει αυτή τη στιγμή και στο εργαστήριο, αλλά σε πολύ μικροσκοπική, σε υποατομική κλίμακα.
Φαντάζομαι αυτό τώρα θα είναι δύσκολο να το απαντήσετε, αλλά σε πόσα χρόνια εικάζετε ότι θα μπορούσε να μετεξελιχθεί σε μέθοδο μαζικής παραγωγής ενέργειας και ποια εμπόδια θα πρέπει να ξεπεράσει;
Για το πρώτο δεν ξέρω σίγουρα. Πρέπει πάντως να πούμε ότι υπάρχουν διάφορες τεχνικές και διαφορετικές προσεγγίσεις στο θέμα της σύντηξης, από διαφορετικές ομάδες παγκοσμίως. Σε κάποιες μάλιστα συμμετέχει και η Ελλάδα ενεργά με άξιους επιστήμονες. Η πρόοδος που έχει γίνει τα τελευταία χρόνια είναι εκθετική. Δηλαδή μπορούμε να πούμε ότι σε λίγα χρόνια θα γίνει διαθέσιμη η σύντηξη και για εμπορική εκμετάλλευση. Τα τελευταία δύο-τρία χρόνια, μάλιστα, έχουμε πολλές τέτοιες καινοτόμες ανακοινώσεις.
Είναι γεγονός ότι την τελευταία δεκαετία έχουμε μια μεγάλη επιτάχυνση στην τεχνολογία κι αυτό μας κάνει να είμαστε πολύ αισιόδοξοι ότι θα μπορούμε να την αξιοποιήσουμε αρκετά πιο γρήγορα απ’ ό,τι πιστεύουμε.
Ως προς τα εμπόδια τώρα. Ανάλογα με την τεχνική, το εργαστήριο, την εφαρμογή που έχει κανείς, είναι αντιμέτωπος και με διαφορετικές προκλήσεις. Αυτές εντοπίζονται κυρίως στα όργανα και στα υλικά. Γιατί μην ξεχνάμε ότι οι θερμοκρασίες σε αυτά τα πειράματα είναι εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου. Άρα θα πρέπει να βρεθούν υλικά ανθεκτικά στη θερμότητα και ταυτόχρονα στις ακτινοβολίες που εκπέμπονται. Και πολλά άλλα ζητήματα που διαμορφώνουν ένα πολυπαραμετρικό σύστημα, η κάθε παράμετρος του οποίου πρέπει να προσεγγιστεί ξεχωριστά.