Του Θοδωρή Λαΐνα
Τον γύρο του κόσμου έκανε η είδηση ότι επιστήμονες στη Βρετανία παρήγαγαν χάρη στην πυρηνική σύντηξη περισσότερη ποσότητα ενέργειας από ποτέ πριν. Η παραγωγή ενέργειας μέσω της πυρηνικής σύντηξης αποτελεί ένα όραμα που απασχολεί διαχρονικά την επιστημονική κοινότητα και οι προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση έχουν ενταθεί τα τελευταία χρόνια.
Η Dr. Αθηνά Καππάτου συμμετείχε στο νέο ρεκόρ πυρηνικής σύντηξης.
Στην ερευνητική ομάδα που πραγματοποίησε το νέο επίτευγμα στην πυρηνική σύντηξη συμμετείχε μέσω της κοινοπραξίας EUROfusion και η Dr. Αθηνά Καππάτου ερευνήτρια στο Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching, στη Γερμανία. Η Ελληνίδα επιστήμονας μίλησε στη «Ναυτεμπορική» για το νέο επίτευγμα.
Τι σημαίνει αυτό το επίτευγμα;
Στο JET, τον μεγαλύτερο πειραματικό αντιδραστήρα σύντηξης στον κόσμο, καταφέραμε να παράγουμε 59 Megajoules ενέργειας σε 5 δευτερόλεπτα, χρησιμοποιώντας το καύσιμο μελλοντικών σταθμών παραγωγής ενέργειας βασιζόμενων στη σύντηξη: δευτέριο και τρίτιο (δύο βαρύτερα ισότοπα του υδρογόνου). Προς το παρόν το JET είναι η μόνη εγκατάσταση του είδους που μπορεί να λειτουργήσει με δευτέριο και τρίτιο, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για την προετοιμασία του επερχόμενου διεθνούς πειράματος σύντηξης ITER που κατασκευάζεται στη νότια Γαλλία.
Πρόκειται για ένα παγκόσμιο ρεκόρ για την περισσότερη ενέργεια σύντηξης. Με τα πρόσφατα πειράματα οι συνεργάτες στο JET καταφέραμε να δείξουμε για πρώτη φορά ότι μπορούμε να παράγουμε και να διατηρήσουμε για μεγάλο χρονικό διάστημα υψηλό επίπεδο σύντηξης. Το πιο σημαντικό είναι ότι τα πειράματα αυτά μας επέτρεψαν να μελετήσουμε με μεγάλη λεπτομέρεια όλες τις σχετικές διεργασίες σε ένα πλάσμα υψηλής ενεργειακής απόδοσης. Το κύριο αποτέλεσμα είναι μια πολύ καλή ταύτιση μεταξύ των πειραμάτων και των υπολογιστικών μας μοντέλων. Αυτό μας επιτρέπει να προετοιμαστούμε για ακόμη πιο φιλόδοξα πειράματα στο διεθνή αντιδραστήρα σύντηξης ITER και σε εγκαταστάσεις σύντηξης πέραν αυτής.
Πως φτάσατε σε αυτή την επιτυχία;
Tα συναρπαστικά αποτελέσματα που παρουσιάσαμε στο κοινό είναι το αποτέλεσμα της σκληρής δουλειάς πολλών επιστημόνων, μηχανικών, τεχνικών, ειδικών στους υπολογιστές, εδώ και πολλά χρόνια. Παρ'ότι τα πειράματα έγιναν στο JET στο Ηνωμένο Βασίλειο, σχεδιάστηκαν και διεξήχθησαν από περισσότερους από 350 ερευνητές από όλη την Ευρώπη μέσω του EUROfusion. Δεν πρόκειται για μια τυχαία επιτυχία της μιας φοράς, αλλά μάλλον για ένα πολύ καλά εκτελεσμένο σχέδιο για να προωθήσουμε κατανόησή μας για τα πλάσματα με υψηλή παραγωγή ενέργειας σύντηξης, να παράσχουμε πληροφορίες στον ITER που θα τεθεί σύντομα σε λειτουργία και να φέρουμε τη σύντηξη ένα βήμα πιο κοντά. Τα ρεκόρ δεν ήταν καν ο στόχος. Για την παραγωγή του ρεκόρ των 59 megajoules απαιτήθηκαν μόνο 0,17 χιλιοστόγραμμα (περίπου 0,1 mg τριτίου και 0,07 mg δευτέριου) του μίγματος καυσίμου σύντηξης. Συγκριτικά, τα ορυκτά καύσιμα θα απαιτούσαν 10 εκατομμύρια φορές περισσότερα καύσιμα για την παραγωγή της ίδιας ποσότητας ενέργειας.
Πόσο κοντά είμαστε στην επίτευξη πυρηνικής σύντηξης που θα μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας; Η μετάβαση σε υψηλότερη ισχύ σύντηξης για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, όπως θέλουμε να κάνουμε στα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής, απαιτεί μεγαλύτερες και πιο προηγμένες εγκαταστάσεις. Το διεθνές πρόγραμμα ITER έχει ως στόχο να επιδείξει ισχύ σύντηξης μέχρι 500 Megawatt για μέχρι μια ώρα. Το επόμενο βήμα, μετά τον ITER, θα είναι ένας ευρωπαϊκός σταθμός επίδειξης παραγωγής ενέργειας από τη σύντηξη (EU-DEMO). Ο EU-DEMO θα επιδείξει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο και είναι ήδη υπό σχεδιασμό. Αναμένουμε ότι αυτά που μάθαμε στο JET πρόσφατα θα βοηθήσουν στη λειτουργεία του ITER, αλλά και τις εργασίες σχεδιασμού του EU-DEMO.
Γιατί χρειάστηκαν 25 χρόνια για να σπάσει το προηγούμενο ρεκόρ;
Τα τελευταία 25 χρόνια, πολλά πειράματα και πρωτοποριακά αποτελέσματα επιτεύχθηκαν στο JET. Τα πειράματα αυτά έγιναν κυρίως με χρήση μόνο δευτερίου. Για παράδειγμα, μετά τα πρώτα πειράματα δευτερίου-τριτίου το 1997, διαπιστώθηκε ότι το υλικό του εσωτερικού τοιχώματος του JET, το πλησιέστερο μέρος της μηχανής στο πολύ καυτό πλάσμα, ο άνθρακας, δεν ήταν κατάλληλο υλικό για σύντηξη υψηλής απόδοσης (κυρίως λόγω της κατακράτησης καυσίμου). Αποφασίστηκε τότε, με βάση τα αποτελέσματα από άλλα πειράματα στην Ευρώπη, ότι το εσωτερικό τοίχωμα του ITER που βρισκόταν τότε υπό σχεδιασμό θα έπρεπε να είναι κατασκευασμένο από βολφράμιο και βηρύλλιο.
Για το λόγο αυτό, το εσωτερικό τοίχωμα του JET αντικαταστάθηκε πλήρως το 2009-2011 από άνθρακα σε βολφράμιο και βηρύλλιο (όλα με σύστημα ρομποτικής!). Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι ερευνητές έπρεπε να μάθουν πώς να λειτουργούν με αυτό το νέο τοίχωμα - και τα κατάφεραν, εξοικονομώντας στον ITER σημαντικό χρόνο στο μέλλον. Επιπλέον, όλα αυτά τα χρόνια, όχι μόνο η κατανόηση του πλάσματος έχει αναπτυχθεί πάρα πολύ, μέσω πειραμάτων στο JET και σε άλλα tokamak, αλλά και η τεχνολογία και η διάγνωση (ο τρόπος μέτρησης του πλάσματος) έχουν προχωρήσει πολύ. Υπήρξαν τεράστιες εξελίξεις. Ήταν πλέον καιρός, το 2021, να δοκιμάσουμε ξανά το μείγμα δευτέριο-τρίτιο. Και άξιζε η αναμονή, τα αποτελέσματα που παρουσιάζουμε τώρα είναι εκπληκτικά. Το επόμενο ρεκόρ αυτού του είδους θα το σπάσει ο ITER, και στην παραγωγή ενέργειας, αλλά και στη διάρκεια!
Μπορούμε να σκεφτόμαστε ένα κοντινό μέλλον με άφθονη, καθαρή και ασφαλή ενέργεια;
Η σύντηξη έχει τη δυνατότητα να παρέχει καθαρή, ασφαλή και άφθονη ενέργεια για ολόκληρο τον κόσμο. Ενώ η σύντηξη βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό στάδιο, επιτυχίες όπως αυτές που ανακοινώσαμε πρόσφατα με την ομάδα του JET μας πείθουν ότι βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο. Η ενέργεια σύντηξης είναι πολύπλοκη και χρειάζεται χρόνο, αλλά αξίζει τον κόπο. Οι ενεργειακές μας απαιτήσεις δεν θα σταματήσουν να αυξάνονται… Επομένως, πρέπει να την αναπτύξουμε τώρα, ώστε να την έχουμε ως επιλογή όταν τη χρειαστούμε οπωσδήποτε.
Ποια είναι τα επόμενα ερευνητικά σας σχέδια: Η έρευνά μας για τη σύντηξη δεν τελειώνει εδώ.Θα εξακολουθήσω να συμμετέχω στα πειράματα JET, μερικά από τα οποία προγραμματίζονται έτσι ώστε να μπορέσουμε να συγκρίνουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα τα επιτυχημένα πλάσματα δευτερίου-τριτίου. Συνεχίζω να εργάζομαι και να εκτελώ πειράματα στο tokamak ASDEX Upgrade στο Garching της Γερμανίας, όπου είναι η βάση μου. Είμαι επίσης μέλος της ομάδας που συντονίζει την έρευνα σύντηξης EUROfusion σε ευρωπαϊκά tokamak.
* Η Dr. Αθηνά Καππάτου είναι ερευνήτρια στο Max Planck Institute for Plasma Physics στο Garching της Γερμανίας. Μετά τις προπτυχιακές της σπουδές στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο που ολοκληρώθηκαν το 2010, απέκτησε το διδακτορικό της δίπλωμα από το Eindhoven University of Technology στην Ολλανδία το 2014 ως διδακτορική φοιτήτρια του Ινστιτούτου DIFFER. Έκτοτε εργάζεται στο πείραμα σύντηξης ASDEX Upgrade στο Garching της Γερμανίας. Υπήρξε υπότροφος της κοινοπραξίας EUROfusion με υποτροφία EUROfusion Researcher Grant το 2017-2018. Εδώ και αρκετά χρόνια συμβάλλει επίσης στο πρόγραμμα του JET.
Συμμετοχή στο JET:
Επιστημονικός συντονιστής (scientific coordinator) (μαζί με τους Dr. Clive Challis, Dr. Jörg Hobirk, Dr. Ernesto Lerche) του πειράματος "Hybrid scenario for high fusion performance in DT", ένα από τα κύρια σενάρια πλάσματος που αναπτύχθηκαν και εκτελέσθηκαν στην πειραματική εκστρατεία DTE2.
