Ο Ντέιβιντ Κίρτλι (David Kirtley), πυρηνικός μηχανικός και διευθύνων σύμβουλος της Helion Energy, μίλησε στον Λεξ Φρίντμαν (Lex Fridman) για την πυρηνική σύντηξη και την προσπάθεια της εταιρείας του να τη μετατρέψει σε εμπορική πηγή ηλεκτρισμού.
Ξεκίνησε από τα βασικά: η σύντηξη είναι η διαδικασία που τροφοδοτεί τα άστρα, όπου ελαφροί πυρήνες υδρογόνου ενώνονται σε βαρύτερους. Επειδή ο τελικός πυρήνας έχει ελαφρώς μικρότερη μάζα από τα συστατικά του, αυτή η διαφορά μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια σύμφωνα με τη σχέση E=mc². Η σχάση, αντίθετα, διασπά βαρείς πυρήνες όπως το ουράνιο και το πλουτώνιο, που είναι ήδη ασταθείς, και απελευθερώνει επίσης ενέργεια μέσω της ίδιας σχέσης.
Ο Κίρτλι εξήγησε ότι για τη σχάση τα καύσιμα εξορύσσονται από το έδαφος, ενώ για τη σύντηξη τα καύσιμα βρίσκονται παντού. Το δευτέριο, ένα βαρύτερο ισότοπο του υδρογόνου, υπάρχει σε όλο το νερό της Γης — ακόμη και στο σώμα μας ή στην Coca-Cola. Σύμφωνα με τον ίδιο, αν η ανθρωπότητα χρησιμοποιούσε σύντηξη για τη σημερινή κατανάλωση ηλεκτρισμού, το δευτέριο στο θαλασσινό νερό θα αρκούσε για 100 εκατομμύρια έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια. Το καύσιμο αποθηκεύεται κυρίως ως βαρύ νερό ή μείγματα υδρογόνου και δευτερίου, χωρίς να απαιτείται κάποια σπάνια πρώτη ύλη.
Μια βασική διαφορά που ανέδειξε ο Κίρτλι είναι ότι η σχάση συμβαίνει σε θερμοκρασία δωματίου και μπορεί να γίνει αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση, ενώ η σύντηξη απαιτεί θερμοκρασίες άνω των 100 εκατομμυρίων βαθμών και σταματά μόλις σταματήσει η τροφοδοσία καυσίμου. Γι' αυτό, όπως είπε, η σύντηξη είναι θεμελιωδώς ασφαλής: δεν υπάρχει αλυσιδωτή αντίδραση που μπορεί να ξεφύγει.
Ο ίδιος θεωρεί ότι οι σύγχρονοι αντιδραστήρες σχάσης είναι μηχανολογικά ασφαλείς, αλλά τα προβλήματα στο Τσερνόμπιλ και τη Φουκουσίμα προήλθαν κυρίως από ανθρώπινους παράγοντες, όπως η λειτουργία πέρα από τα σχεδιαστικά όρια. Πρόσθεσε ότι οι ανησυχίες για τη σχάση συνδέονται και με τον εμπλουτισμό ουρανίου, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όπλα.
Σύμφωνα με τον Κίρτλι, η σύντηξη δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πυρηνικών όπλων. Ακόμη και η λεγόμενη βόμβα υδρογόνου είναι στην πραγματικότητα κυρίως βόμβα σχάσης, αφού το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς της προέρχεται από ουράνιο.
Είπε ότι ειδικοί στη μη διάδοση πυρηνικών όπλων τον προέτρεψαν να αναπτύξει σταθμούς σύντηξης όσο πιο γρήγορα γίνεται, επειδή αλλιώς ο κόσμος θα στραφεί σε εμπλουτισμένο ουράνιο για καθαρή βασική ισχύ, αυξάνοντας τον κίνδυνο διάδοσης όπλων. Επιπλέον, επειδή το δευτέριο υπάρχει παντού στη θάλασσα, καμία χώρα δεν μπορεί να μονοπωλήσει το καύσιμο ή να κόψει έναν αγωγό, κάτι που θα μπορούσε να αποσυνδέσει την ενέργεια από γεωπολιτικές εντάσεις.
Ο Κίρτλι περιέγραψε τις κύριες προσεγγίσεις σύντηξης. Η αδρανειακή σύντηξη, όπως στο National Ignition Facility, συμπιέζει το καύσιμο με λέιζερ για δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Η μαγνητική σύντηξη, όπως στα τοκάμακ και στους στελαράτορες, προσπαθεί να συγκρατήσει το πλάσμα για μεγάλο χρονικό διάστημα με μαγνητικά πεδία. Η Helion χρησιμοποιεί μια τρίτη οδό, τη μαγνητο-αδρανειακή σύντηξη, η οποία συνδυάζει συμπίεση και μαγνητική συγκράτηση. Αυτή βασίζεται σε πειράματα «θήτα πιντς» της δεκαετίας του 1950, που είχαν φτάσει σε υψηλές επιδόσεις αλλά περιορίστηκαν από την τεχνολογία της εποχής.
Στην καρδιά της μεθόδου της Helion βρίσκεται η διαμόρφωση ανεστραμμένου πεδίου (FRC). Ο Κίρτλι εξήγησε ότι αν αντιστραφεί το μαγνητικό πεδίο μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, το πλάσμα δεν προλαβαίνει να κινηθεί και αναδιοργανώνεται μόνο του. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στο ίδιο το πλάσμα, το οποίο παράγει το δικό του μαγνητικό πεδίο και παγιδεύεται σε αυτό. Το φαινόμενο θυμίζει μετασχηματιστή ή τις ηλιακές εκλάμψεις, όπου παρατηρούνται παρόμοια αυτο-οργανωμένα πλάσματα στη φύση, γνωστά ως πλασμοειδή.
Το πρόβλημα είναι ότι τέτοια πλάσματα υψηλού βήτα είναι από τη φύση τους ασταθή. Ο Κίρτλι χρησιμοποίησε την αναλογία της σβούρας: μια σβούρα πέφτει αν δεν περιστρέφεται αρκετά γρήγορα, αλλά με αρκετή κινητική ενέργεια και επιμήκυνση μπορεί να μείνει σταθερή. Αυτό περιγράφεται από την παράμετρο S*/E, που συνδέει τη σταθερότητα με τη θερμοκρασία και το σχήμα του πλάσματος. Η πρόκληση είναι να θερμανθεί το πλάσμα αρκετά γρήγορα ώστε να μην ανατραπεί πριν φτάσει σε συνθήκες σύντηξης.
Γι' αυτό, όπως είπε, η Helion είναι πολλές φορές περισσότερο εταιρεία ηλεκτρολόγων μηχανικών παρά εταιρεία σύντηξης.
Μια ιδιαιτερότητα της προσέγγισης της Helion είναι η απευθείας ανάκτηση ηλεκτρισμού. Σε ένα τοκάμακ, η σύντηξη θερμαίνει νερό, παράγει ατμό και κινεί στροβίλους με απόδοση περίπου 30-35%. Στην παλμική μαγνητική σύντηξη, το διαστελλόμενο πλάσμα πιέζει το μαγνητικό πεδίο, προκαλεί ρεύμα στα πηνία και επαναφορτίζει τους πυκνωτές από τους οποίους ξεκίνησε η διαδικασία. Ο Κίρτλι ανέφερε θεωρητικές μελέτες που δείχνουν απόδοση 80-85% για την ενέργεια σύντηξης, ενώ η ανάκτηση της αρχικής μαγνητικής ενέργειας μπορεί να ξεπεράσει το 95%. Αυτό, είπε, αλλάζει τα οικονομικά της σύντηξης και επιτρέπει μικρότερα συστήματα.
Η επιλογή καυσίμου είναι επίσης κρίσιμη. Το δευτέριο-τρίτιο, που κυριαρχεί στα παραδοσιακά σχέδια, παράγει νετρόνια που βγαίνουν από το σύστημα και χρησιμεύουν για να βράσουν νερό. Όμως σε ένα σύστημα υψηλού βήτα το νετρόνιο δεν πιέζει το μαγνητικό πεδίο, οπότε δεν είναι ιδανικό.
Η Helion προτιμά δευτέριο και ήλιο-3, μια αντίδραση που παράγει φορτισμένα σωματίδια τα οποία μπορούν να αποδώσουν απευθείας ηλεκτρισμό. Το τίμημα είναι ότι απαιτούνται θερμοκρασίες 200-300 εκατομμυρίων βαθμών και μεγαλύτερα συστήματα, αφού σε σταθερό μαγνητικό πεδίο η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την πυκνότητα. Το ήλιο-3 είναι επίσης σπάνιο στη Γη και πρέπει να παραχθεί ή να αναζητηθεί αλλού.
Ο Κίρτλι τόνισε ότι ο στόχος δεν είναι απλώς η σύντηξη, αλλά φθηνός ηλεκτρισμός. Το κόστος ενός σταθμού τείνει ασυμπτωτικά προς το κόστος των υλικών του — μπετόν, χάλυβας, χαλκός και αλουμίνιο. Γι' αυτό η εταιρεία σχεδιάζει μικρότερα, μαζικά παραγόμενα εξαρτήματα αντί για έναν τεράστιο, δύσκολο μαγνήτη.
Ο ίδιος υποστήριξε ότι η γρήγορη κατασκευή και επανάληψη επιταχύνει και την επιστήμη, επειδή επιτρέπει να μαθαίνεις γρήγορα από κάθε πρωτότυπο. Αυτή η φιλοσοφία, είπε, ήταν αντίθετη με ό,τι πίστευε στην αρχή της καριέρας του, όταν φανταζόταν ότι ένα μεγάλο επιστημονικό πείραμα είναι ο καλύτερος δρόμος.
Η Helion έχει κατασκευάσει επτά πρωτότυπα συστήματα. Τα πρώτα ονομάστηκαν από μεγέθη καφέ Starbucks, από Tall έως Trenta. Το Trenta, που τέθηκε σε λειτουργία το 2020, έφτασε σε θερμοκρασίες 100 εκατομμυρίων βαθμών και, σύμφωνα με τον Κίρτλι, πραγματοποίησε την πρώτη γνωστή μαζική σύντηξη δευτερίου-ηλίου-3.
Η ομάδα αποτελείται πλέον κατά περίπου 50% από τεχνικούς και όχι μόνο επιστήμονες, με έμφαση στην κάθετη ολοκλήρωση και τη γρήγορη κατασκευή. Ο Κίρτλι ανέφερε χαρακτηριστικά ότι αγοράζουν μεταχειρισμένες αντλίες κενού από το eBay, όχι για να εξοικονομήσουν χρήματα, αλλά για να τις παραλάβουν σε εβδομάδες αντί για εννέα μήνες, αρκεί να πληρούν τις προδιαγραφές.
Το 2023 η Helion υπέγραψε συμφωνία με τη Microsoft για την κατασκευή σταθμού σύντηξης που θα τροφοδοτεί το δίκτυο ενός κέντρου δεδομένων, με στόχο την πρώτη ηλεκτροπαραγωγή το 2028. Ο Κίρτλι είπε ότι η σκέψη για αυτή την προθεσμία είναι καθημερινή.
Σε τεχνικό επίπεδο, ο παλμικός χαρακτήρας επιτρέπει ρύθμιση της ισχύος από μία έως δέκα φορές το δευτερόλεπτο, ενώ η συνεχής τάση από τους πυκνωτές μπορεί να μετατραπεί σε εναλλασσόμενο ρεύμα με γνωστούς μετατροπείς. Η ομάδα εξετάζει επίσης αν θα μπορούσε να τροφοδοτήσει απευθείας με συνεχές ρεύμα τα κέντρα δεδομένων, αποφεύγοντας απώλειες μετατροπής, ενώ η ψύξη των ημιαγωγών έχει κοινά στοιχεία με την ψύξη ενός κέντρου δεδομένων.
Ο Κίρτλι βλέπει τη σύντηξη ως μοχλό για την αντικατάσταση περίπου 4.000 γιγαβάτ εγκατεστημένης ισχύος ορυκτών καυσίμων. Οραματίζεται ένα εργοστάσιο που θα βγάζει γεννήτριες των 50 μεγαβάτ κάθε μέρα, σε κλίμακα παρόμοια με ό,τι έχει γίνει στους πυραύλους και τα ηλεκτρικά οχήματα.
Ένας σταθμός 50 μεγαβάτ εκτιμά ότι χωράει σε κτίριο περίπου 27.000 τετραγωνικών ποδιών, δηλαδή περίπου ένα στρέμμα, έναντι περίπου 2.000 στρεμμάτων για ηλιακά. Αυτή η ενεργειακή πυκνότητα, είπε, θα μπορούσε να επιτρέψει αφαλάτωση, κάθετη καλλιέργεια τροφίμων σε πολυώροφα κτίρια, ακόμη και μικροκυματική πρόωση πυραύλων χωρίς καύσιμα.
Στο τέλος της συζήτησης, ο Κίρτλι στάθηκε στο παράδοξο του Φέρμι και στην κλίμακα Καρντάσεφ. Είπε ότι μια προηγμένη τεχνολογικά κοινωνία μπορεί να μην επεκτείνεται φυσικά στο διάστημα, αλλά να αυξάνει τη νοημοσύνη της, όπως στην ιδέα των εγκεφάλων Ματριόσκα. Η σύντηξη και η τεχνητή νοημοσύνη, σύμφωνα με τον ίδιο, θα μπορούσαν να επιταχύνουν αυτή την πορεία. Κατέληξε ότι αυτό που τον εντυπωσιάζει περισσότερο στη φυσική είναι ότι όλα τα κομμάτια — από τις δυνάμεις της φύσης έως τις συνθήκες για ζωή — συνεργάζονται με τρόπο που δύσκολα μοιάζει τυχαίος, και ότι η ανθρωπότητα βρίσκει λύσεις ακόμη και την τελευταία στιγμή.
Σχόλια