Μια επαναστατική ανατροπή στα δεδομένα της πυρηνικής φυσικής έχει την ικανότητα να αλλάξει θεαματικά την αντίληψή μας γύρω από την καθαρή ενέργεια. Ερευνητές που εργάζονται στον πειραματικό αντιδραστήρα της Κίνας, γνωστός ως «τεχνητός ήλιος» (EAST), ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να υπερβούν ένα εμπόδιο που για πολλές δεκαετίες θεωρούνταν ανυπέρβλητο: το όριο πυκνότητας του πλάσματος.
Το επίτευγμα αυτό προμηνύει την είσοδο σε μια νέα εποχή για την πυρηνική σύντηξη, καθώς αποδεικνύει ότι το πλάσμα μπορεί να παραμείνει σταθερό ακόμα και σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας, εφόσον ελεγχθεί με ακρίβεια η αλληλεπίδρασή του με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα.
Η μεγάλη πρόκληση της πυκνότητας
Για να κατανοήσουμε τη σημασία του επιτεύγματος, είναι απαραίτητο να εξετάσουμε τη «καρδιά» της πυρηνικής σύντηξης. Αυτή η διαδικασία, που προμηθεύει ενέργεια στα άστρα, υπόσχεται σχεδόν αστείρευτη και καθαρή ενέργεια. Στους αντιδραστήρες τύπου Τόκαμακ, όπως ο EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), το καύσιμο (συνήθως δευτέριο και τρίτιο) θερμαίνεται σε απίστευτες θερμοκρασίες, που φτάνουν σχεδόν τα 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου (περίπου 13 keV).
Το «κλειδί» για την παραγωγή ενέργειας κρύβεται στην πυκνότητα του πλάσματος. Η ισχύς που προκύπτει από τη σύντηξη αυξάνεται με το τετράγωνο της πυκνότητας. Θεωρητικά, όσο πιο πυκνό είναι το πλάσμα, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια μπορούμε να εξάγουμε. Ωστόσο, στην πράξη υπήρχε πάντα ένα «κόφτης». Κάθε φορά που οι επιστήμονες προσπαθούσαν να αυξήσουν την πυκνότητα πέρα από ένα συγκεκριμένο όριο, το πλάσμα παρουσίαζε αστάθεια, γεγονός που οδηγούσε σε διακοπή της λειτουργίας του αντιδραστήρα και ενδεχόμενες ζημιές στις συσκευές. Αυτό το φαινόμενο αποτελεί τη «δαμόκλειο σπάθη» πάνω από κάθε προσπάθεια για εμπορική εκμετάλλευση της σύντηξης.
Το «καθεστώς μηδενικής πυκνότητας»
Η ομάδα ερευνητών, επικεφαλής της οποίας είναι ο καθηγητής Ping Zhu από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong και ο αναπληρωτής καθηγητής Ning Yan από τα Ινστιτούτα Φυσικής Επιστήμης της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, πέτυχαν το αδιανόητο. Λειτουργώντας τον αντιδραστήρα σε ένα θεωρητικό έως σήμερα πλαίσιο, γνωστό ως «density-free regime» (καθεστώς μηδενικής πυκνότητας).
Σε αυτή την κατάσταση, το πλάσμα διατηρεί τη σταθερότητά του ακόμα και όταν η πυκνότητά του εκτοξεύεται πολύ πάνω από τα παραδοσιακά όρια. Η ανακάλυψη αυτή ανατρέπει δεκαετίες υποθέσεων σχετικά με τη συμπεριφορά του πλάσματος στους αντιδραστήρες tokamak και ανοίγει διάπλατα το δρόμο για την επίτευξη της πολυπόθητης «ανάφλεξης», δηλαδή του σημείου όπου η αντίδραση είναι αυτοσυντηρούμενη.
Η μέθοδος: Εξημερώνοντας την αλληλεπίδραση πλάσματος-τοιχωμάτων
Πώς όμως κατάφεραν να ξεγελάσουν τους νόμους της φυσικής; Η απάντηση βρίσκεται στη θεωρία της αυτο-οργάνωσης της αλληλεπίδρασης πλάσματος και τοιχωμάτων (Plasma-Wall Self Organization – PWSO). Αυτή η θεωρία, που είχε προταθεί αρχικά από ερευνητές στη Γαλλία, υποστήριζε ότι αν η αλληλεπίδραση μεταξύ του καυτού πλάσματος και των μεταλλικών τοιχωμάτων του αντιδραστήρα ισορροπήσει τέλεια, τότε οι περιορισμοί πυκνότητας παύουν να ισχύουν.
Οι επιστήμονες του EAST επεφύλαξαν αυτή τη θεωρία στην πράξη. Χρησιμοποιώντας θέρμανση με συντονισμό κυκλότρου ηλεκτρονίων (ECRH) κατά την εκκίνηση και ελέγχοντας σχολαστικά την πίεση του αερίου καυσίμου, βελτίωσαν τις συνθήκες από το πρώτο δευτερόλεπτο. Αυτή η στρατηγική ελαχιστοποίησε τη συσσώρευση προσμίξεων και τις ενεργειακές απώλειες.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η πυκνότητα του πλάσματος αυξανόταν σταθερά χωρίς να προκαλούνται οι καταστροφικές αστάθειες που παρατηρούνταν στο παρελθόν. Ο αντιδραστήρας λειτούργησε ομαλά σε συνθήκες που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν απαγορευτικές.
Το μέλλον της ενέργειας
Οι επιπτώσεις αυτού του σημαντικού ευρήματος είναι τεράστιες για το μέλλον της ενέργειας παγκοσμίως. «Τα ευρήματα δείχνουν μια πρακτική και κλιμακώσιμη οδό για την επέκταση των ορίων πυκνότητας στους αντιδραστήρες tokamak και στις συσκευές σύντηξης επόμενης γενιάς», δήλωσε χαρακτηριστικά ο καθηγητής Zhu. Ο στόχος είναι να εφαρμοστεί η ίδια μεθοδολογία υπό συνθήκες υψηλού περιορισμού, φέρνοντας την ανθρωπότητα ακόμα πιο κοντά στην παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη.
