Τι είναι η πυρηνική σύντηξη;

Η πυρηνική σύντηξη εμφανίζεται όλο και συχνότερα στις ειδήσεις: ITER στη Γαλλία, ιδιωτικές εταιρείες στις ΗΠΑ και στην Ευρώπη, και τώρα η Γερμανία που θέλει να μετατρέψει τη μακρόχρονη έρευνά της στους stellarators σε βιομηχανική τεχνολογία. Για να καταλάβουμε τι πραγματικά διακυβεύεται, πρέπει πρώτα να ξεχωρίσουμε τη σύντηξη από την πυρηνική ενέργεια που γνωρίζουμε σήμερα.

Σχάση και σύντηξη: δύο αντίθετες διαδικασίες

Οι σημερινοί πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν σχάση. Η σύντηξη επιχειρεί κάτι διαφορετικό: συνήθως να ενώσει δύο μορφές του υδρογόνου, δευτέριο και τρίτιο, ώστε να δημιουργηθεί ήλιο και να απελευθερωθεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Γιατί χρειάζονται θερμοκρασίες πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς;

Οι ατομικοί πυρήνες έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και απωθούν ο ένας τον άλλον. Για να πλησιάσουν αρκετά ώστε να επικρατήσει η ισχυρή πυρηνική δύναμη και να ενωθούν, πρέπει να κινούνται εξαιρετικά γρήγορα. Αυτό απαιτεί τεράστια θερμοκρασία.

Σε αυτές τις θερμοκρασίες το καύσιμο δεν είναι πλέον στερεό, υγρό ή συνηθισμένο αέριο. Μετατρέπεται σε πλάσμα: ένα ηλεκτρικά φορτισμένο νέφος από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ατομικούς πυρήνες.

Πώς κρατάς κάτι τόσο καυτό χωρίς να λιώσει η μηχανή;

Δεν προσπαθείς να το βάλεις σε ένα δοχείο που το αγγίζει. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για να κρατούν το πλάσμα μακριά από τα τοιχώματα. Αυτό ονομάζεται μαγνητικός εγκλεισμός.

Δύο βασικοί σχεδιασμοί κυριαρχούν στην έρευνα: το tokamak και ο stellarator.

Τι είναι λοιπόν ένας stellarator;

Ένας stellarator είναι μια μηχανή που δημιουργεί ένα πολύπλοκο, τρισδιάστατο μαγνητικό «κλουβί» γύρω από το πλάσμα. Τα πηνία του έχουν παράξενα, στριμμένα σχήματα γιατί πρέπει να διαμορφώσουν το μαγνητικό πεδίο με μεγάλη ακρίβεια.

Το πιθανό πλεονέκτημα είναι σημαντικό: επειδή το βασικό μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από εξωτερικά πηνία, ο stellarator μπορεί θεωρητικά να λειτουργεί σε σταθερή κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για ένα εργοστάσιο που θέλει να παράγει ρεύμα συνεχώς, αυτό είναι ελκυστικό.

Το Wendelstein 7-X: το γερμανικό εργαστήριο

Στο Greifswald της Γερμανίας λειτουργεί το Wendelstein 7-X του Max Planck Institute for Plasma Physics, το μεγαλύτερο stellarator στον κόσμο. Δεν είναι σταθμός ηλεκτροπαραγωγής και δεν προσπαθεί να στείλει ρεύμα στο δίκτυο. Η δουλειά του είναι πιο βασική: να αποδείξει ότι ο συγκεκριμένος τρόπος μαγνητικού εγκλεισμού μπορεί να κρατά το πλάσμα σταθερό και καλά μονωμένο για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Το Wendelstein 7-X χρησιμοποιεί 50 μη επίπεδα υπεραγώγιμα μαγνητικά πηνία για να δημιουργήσει το απαιτούμενο πεδίο. Το Max Planck σχεδιάζει πειράματα με πλάσμα διάρκειας έως 30 λεπτών — ακριβώς για να ελέγξει το βασικό πλεονέκτημα του stellarator, τη μακρόχρονη λειτουργία.

Πού μπαίνει η Proxima Fusion;

Η Proxima Fusion είναι spin-off του Max Planck Institute for Plasma Physics. Η φιλοδοξία της είναι να πάρει όσα έμαθε η δημόσια έρευνα και να τα μετατρέψει σε βιομηχανική τεχνολογία.

Το πρώτο μεγάλο βήμα είναι το Alpha, ένας πειραματικός stellarator που η εταιρεία σχεδιάζει να θέσει σε λειτουργία στις αρχές της δεκαετίας του 2030. Στόχος είναι να δοκιμαστούν η φυσική του πλάσματος, τα υλικά, οι μαγνήτες και οι μέθοδοι κατασκευής που θα χρειάζονταν σε μελλοντικό σταθμό.

Μετά έρχεται το Stellaris, η ιδέα για εμπορικό σταθμό στο πρώην πυρηνικό συγκρότημα του Gundremmingen. Η Proxima μιλά για ηλεκτρισμό στο δίκτυο μέσα στη δεκαετία του 2030. Αυτό πρέπει να διαβάζεται ως εταιρικός στόχος, όχι ως βεβαιότητα ότι η τεχνολογία θα είναι εμπορικά ώριμη τότε.

Γιατί ενδιαφέρεται τόσο η Γερμανία;

Επειδή η σύντηξη δεν είναι μόνο ενεργειακό στοίχημα. Είναι και βιομηχανικό. Η Γερμανία έχει ήδη ερευνητική τεχνογνωσία, ισχυρή μηχανολογία, βιομηχανία υλικών και ενεργειακές εταιρείες. Αν η σύντηξη γίνει κάποτε εμπορική, θα δημιουργήσει αλυσίδα αξίας γύρω από υπεραγώγιμους μαγνήτες, ειδικά κράματα, συστήματα κενού, ηλεκτρονικά ισχύος, λογισμικό ελέγχου και εξειδικευμένους μηχανικούς.

Η γερμανική κυβέρνηση έχει δηλώσει ότι θέλει το πρώτο εργοστάσιο σύντηξης παγκοσμίως να κατασκευαστεί στη Γερμανία και προβλέπει πάνω από €2 δισ. για έρευνα σύντηξης έως το 2029. Αυτό δεν αποδεικνύει ότι ο στόχος θα επιτευχθεί· δείχνει όμως ότι η σύντηξη αντιμετωπίζεται πλέον ως πολιτική τεχνολογικής και βιομηχανικής κυριαρχίας.

Αν λειτουργήσει, τι θα προσφέρει;

Θεωρητικά, ένας σταθμός σύντηξης θα μπορούσε να δίνει πολύ μεγάλες ποσότητες σταθερής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς εκπομπές CO₂ από την ίδια τη διαδικασία καύσης και χωρίς την ανάγκη να βασίζεται στον άνεμο ή στον ήλιο τη συγκεκριμένη στιγμή.

Δεν σημαίνει «ενέργεια χωρίς προβλήματα». Παραμένουν δύσκολα θέματα: παραγωγή και διαχείριση τριτίου, αντοχή υλικών στη νετρονική ακτινοβολία, απόδοση του συνολικού συστήματος, συντήρηση, κόστος και δυνατότητα μαζικής κατασκευής.

Γιατί δεν έχουμε ήδη εργοστάσια σύντηξης;

Επειδή πρέπει να πετύχουν πολλά πράγματα ταυτόχρονα: αρκετά θερμό πλάσμα, αρκετά πυκνό, για αρκετό χρόνο, χωρίς αστάθειες — και μετά όλο αυτό να μετατραπεί σε μηχανή που παράγει καθαρά περισσότερο ηλεκτρισμό από όσο καταναλώνει το σύνολο του σταθμού, μπορεί να συντηρείται και κοστίζει αρκετά λίγο ώστε να ανταγωνιστεί άλλες πηγές ενέργειας.

Τι αξίζει να κρατήσουμε

Η σύντηξη δεν είναι επιστημονική φαντασία· είναι πραγματική φυσική και λειτουργεί ήδη σε πειράματα. Αυτό που δεν έχει αποδειχθεί ακόμη είναι αν μπορεί να γίνει βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής.

Γι’ αυτό η γερμανική ιστορία είναι ενδιαφέρουσα: δεν αφορά μόνο το αν «θα φτιάξουμε έναν μικρό Ήλιο». Αφορά το αν μια χώρα μπορεί να πάρει δεκαετίες επιστημονικής έρευνας και να τις μετατρέψει σε νέα βιομηχανία πριν γνωρίζει με βεβαιότητα αν αυτή η βιομηχανία θα πετύχει.