Τι είναι η σύντηξη και πώς θα αλλάξει τον κόσμο μας; Σύντηξη – Μέρος Α’

Μια σύντομη εισαγωγή

Η σύντηξη είναι η διαδικασία στην οποία η θερμοπυρηνική βόμβα υδρογόνου οφείλει την απίστευτη ισχύ της. Σε αυτήν, επίσης, οφείλεται η λάμψη των άστρων, και άρα η ύπαρξη ζωής στον πλανήτη μας. Όπως καταλαβαίνετε, η ενέργεια που εκλύεται από τη σύντηξη είναι δίκοπο μαχαίρι· η ελεγχόμενη χρήση της μπορεί να μας προσφέρει μια εν δυνάμει αστείρευτη πηγή ενέργειας, λύνοντας το ενεργειακό πρόβλημα μια και καλή με πρακτικά μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, αλλά από την άλλη μπορεί να επιφέρει την καταστροφή μας με το πάτημα ενός κουμπιού. Πώς λειτουργεί, λοιπόν, και πώς μπορούμε να την αξιοποιήσουμε προς το συμφέρον μας;

Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία μέσω της οποίας πυρήνες με μικρό ατομικό βάρος, όπως είναι το υδρογόνο, συνδυάζονται για να σχηματίσουν βαρύτερους πυρήνες, όπως το ήλιο (στην περίπτωση του υδρογόνου). Στις συνθήκες που μπορούμε να δημιουργήσουμε εργαστηριακά, δύο ισότοπα του υδρογόνου προσφέρουν την ενεργειακά αποδοτικότερη σύντηξη: το δευτέριο (D) (ένας πυρήνας υδρογόνου που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) και το τρίτιο (T) (ένας πυρήνας υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια). Κατά τη σύντηξη, μέρος της μάζας των αντιδρώντων “χάνεται” και μετατρέπεται σε ενέργεια την οποία μπορούμε να αξιοποιήσουμε. Το αποτέλεσμα είναι ένας πυρήνας ηλίου και ένα νετρόνιο υψηλής ενέργειας (βλ. Εικόνα 2).

Η μετατροπή μέρους της μάζας των πυρήνων σε ενέργεια προκύπτει από τη διάσημη σχέση του Αϊνστάιν, E = mc². Χρειάζεται, ωστόσο, να επιτύχουμε ακραίες θερμοκρασίες για να γίνει αυτό. Μάλιστα, η θερμοκρασία πρέπει να είναι τόσο υψηλή ώστε τα άτομα να μετατρέπονται σε μια “σούπα” ηλεκτρονίων και πυρήνων που ονομάζεται πλάσμα, που δεν είναι παρά μία κατάσταση της ύλης (όπως είναι η αέρια, η υγρή και η στερεά). Το πλάσμα πρέπει να περιοριστεί ή να “παγιδευτεί”, δηλαδή να κρατηθεί σε έναν συγκεκριμένο όγκο, σε αρκετά υψηλές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και για αρκετό χρόνο έως ότου ξεκινήσει η σύντηξη. Ως κριτήριο για την επίτευξη της σύντηξης χρησιμοποιείται το λεγόμενο τριπλό γινόμενο, δηλαδή το γινόμενο της πυκνότητας, της θερμοκρασίας και του χρόνου παγίδευσης, το οποίο πρέπει να ξεπερνάει μια συγκεκριμένη ποσότητα.

Δύο είναι οι βασικότερες μέθοδοι ελεγχόμενης σύντηξης – η “σύντηξη με μαγνητική παγίδευση” (Magnetic Confinement Fusion), όπου παγιδεύουμε πλάσμα χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο σε θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου σε μια κατασκευή σχήματος ντόνατ, και η “σύντηξη με αδρανειακή παγίδευση” (Inertial Confinement Fusion), στην οποία χρησιμοποιούμε τα ισχυρότερα συστήματα λέιζερ που έχουν κατασκευαστεί ποτέ για να συμπιέσουμε υδρογόνο σε πυκνότητες δεκάδες φορές μεγαλύτερες από αυτή του μολύβδου – ένα κουταλάκι του γλυκού από το συμπυκνωμένο καύσιμο θα ζύγιζε περίπου 300 γραμμάρια! Καμία από αυτές τις μεθόδους σύντηξης δεν παράγει τοξικά απόβλητα, σε αντίθεση με τα εργοστάσια πυρηνικής σχάσης! Επίσης τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται βρίσκονται σε αφθονία στο θαλασσινό νερό (το δευτέριο) ή μπορούμε να τα συνθέσουμε κατά τη διάρκεια της σύντηξης ή να τα εξορύξουμε από τη Σελήνη (το τρίτιο).

Ενδιαφέρον προκαλεί το γεγονός ότι οι πυρήνες των αστέρων δεν είναι τα μόνα μέρη όπου η ύλη έχει συντηχθεί ή/και συνεχίζει να συντήκεται. Η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) που δημιούργησε το Σύμπαν προκάλεσε μια σειρά από αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Σύμφωνα με τη “θεωρία νουκλεοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης”, η πυρηνική σύντηξη ξεκίνησε με υδρογόνο, και κατά τα τρία πρώτα λεπτά της ύπαρξης του Σύμπαντός μας παράχθηκαν δευτέριο, τρίτιο και λίθιο. Στη συνέχεια, όταν το Σύμπαν αυξήθηκε σε όγκο και ψύχθηκε, η σύντηξη σταμάτησε – περίπου 20 λεπτά μετά – και το υδρογόνο και το ήλιο σχημάτισαν τεράστια σύννεφα. Υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους, τα σύννεφα αυτά κατέρρεαν για μερικά εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και έτσι σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια. 

Στο επόμενο μέρος της σειράς θα μιλήσουμε για την “σύντηξη με αδρανειακή παγίδευση” και τα ισχυρότερα συστήματα λέιζερ του κόσμου!

¹ Οι κυριότερες μέθοδοι για την επίτευξη της σύντηξης χρησιμοποιούν ισότοπα υδρογόνου ως “καύσιμο”. Να επισημάνουμε ότι κατά τη σύντηξη δεν πραγματοποιείται καύση όπως συμβαίνει σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου με τη βενζίνη ή στο τζάκι με τα ξύλα, αλλά χρησιμοποιούμε αυτόν τον όρο για να περιγράψουμε τη μετατροπή της αρχικής ύλης σε μια άλλη μορφή με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας.