Η πυρηνική σύντηξη έφτασε σε ορόσημο χάρη στα καλύτερα τείχη του αντιδραστήρα

Επιστήμονες σε εργαστήριο στην Αγγλία κατέρριψαν το ρεκόρ για την ποσότητα ενέργειας που παράγεται κατά τη διάρκεια μιας ελεγχόμενης, παρατεταμένης αντίδρασης σύντηξης. Η παραγωγή του 59 megajoules ενέργειας σε πέντε δευτερόλεπτα στο πείραμα Joint European Torus (JET) στην Αγγλία αποκαλείται «ανακάλυψη» από ορισμένα ειδησεογραφικά μέσα και προκάλεσε αρκετό ενθουσιασμό στους φυσικούς. Αλλά μια κοινή γραμμή σχετικά με παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη είναι ότι είναι «πάντα 20 χρόνια μακριά. "

Είμαστε πυρηνικός φυσικός και σε έναν πυρηνικός μηχανικός που μελετούν πώς να αναπτύξουν ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το αποτέλεσμα του JET καταδεικνύει αξιοσημείωτες προόδους στην κατανόηση της φυσικής της σύντηξης. Αλλά το ίδιο σημαντικό, δείχνει ότι τα νέα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των εσωτερικών τοιχωμάτων του αντιδραστήρα σύντηξης λειτούργησαν όπως έπρεπε. Το γεγονός ότι η κατασκευή του νέου τοίχου απέδωσε το ίδιο καλά με αυτό είναι αυτό που διαχωρίζει αυτά τα αποτελέσματα από τα προηγούμενα ορόσημα και ενισχύει τη μαγνητική σύντηξη από ένα όνειρο προς μια πραγματικότητα.

Σύντηξη σωματιδίων μαζί

Η πυρηνική σύντηξη είναι η συγχώνευση δύο ατομικών πυρήνων σε έναν σύνθετο πυρήνα. Αυτός ο πυρήνας στη συνέχεια διασπάται και απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή νέων ατόμων και σωματιδίων που απομακρύνονται με ταχύτητα από την αντίδραση. Μια μονάδα παραγωγής ενέργειας σύντηξης θα συλλάβει τα σωματίδια που διαφεύγουν και θα χρησιμοποιήσει την ενέργειά τους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Υπάρχουν μερικά διαφορετικούς τρόπους για τον ασφαλή έλεγχο της σύντηξης στη Γη. Η έρευνά μας επικεντρώνεται στην προσέγγιση που ακολουθεί το JET: χρήση ισχυρά μαγνητικά πεδία για τον περιορισμό των ατόμων μέχρι να θερμανθούν σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία για να λιώσουν.

Το καύσιμο για τους σημερινούς και τους μελλοντικούς αντιδραστήρες είναι δύο διαφορετικά ισότοπα υδρογόνου - που σημαίνει ότι έχουν το ένα πρωτόνιο, αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων - που ονομάζονται δευτέριο και τρίτιο. Το κανονικό υδρογόνο έχει ένα πρωτόνιο και κανένα νετρόνιο στον πυρήνα του. Το δευτέριο έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο ενώ το τρίτιο έχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια.

Για να είναι επιτυχής μια αντίδραση σύντηξης, τα άτομα του καυσίμου πρέπει πρώτα να γίνουν τόσο ζεστά ώστε τα ηλεκτρόνια να απελευθερωθούν από τους πυρήνες. Αυτό δημιουργεί πλάσμα—μια συλλογή θετικών ιόντων και ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια, πρέπει να συνεχίσετε να θερμαίνετε αυτό το πλάσμα μέχρι να φτάσει σε θερμοκρασία πάνω από 200 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ (100 εκατομμύρια Κελσίου). Αυτό το πλάσμα πρέπει να διατηρείται σε περιορισμένο χώρο σε υψηλές πυκνότητες για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα για άτομα καυσίμου να συγκρουστούν μεταξύ τους και να συντηχθούν.

Για τον έλεγχο της σύντηξης στη Γη, οι ερευνητές ανέπτυξαν συσκευές σε σχήμα ντόνατ-που λέγεται τοκαμάκς — τα οποία χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να περιέχουν το πλάσμα. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου που τυλίγονται γύρω από το εσωτερικό του ντόνατ λειτουργούν σαν σιδηροδρομικές γραμμές που ακολουθούν τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια. Με την έγχυση ενέργειας στο πλάσμα και τη θέρμανση του, είναι δυνατό να επιταχυνθούν τα σωματίδια του καυσίμου σε τόσο υψηλές ταχύτητες που όταν συγκρούονται, αντί να αναπηδούν ο ένας από τον άλλο, οι πυρήνες του καυσίμου συγχωνεύονται. Όταν συμβαίνει αυτό, απελευθερώνουν ενέργεια, κυρίως με τη μορφή ταχέως κινούμενων νετρονίων.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύντηξης, τα σωματίδια του καυσίμου σταδιακά απομακρύνονται από τον καυτό, πυκνό πυρήνα και τελικά συγκρούονται με το εσωτερικό τοίχωμα του δοχείου σύντηξης. Για να αποτραπεί η υποβάθμιση των τοίχων λόγω αυτών των συγκρούσεων - που με τη σειρά τους μολύνουν επίσης το καύσιμο σύντηξης - κατασκευάζονται αντιδραστήρες έτσι ώστε να διοχετεύουν τα σωματίδια που οδηγούν προς τον βαριά θωρακισμένο θάλαμο που ονομάζεται εκτροπέας. Αυτό αντλεί τα σωματίδια που εκτρέπονται και αφαιρεί τυχόν περίσσεια θερμότητας για να προστατεύσει το tokamak.

Τα τείχη είναι σημαντικά

Ένας σημαντικός περιορισμός των παλαιότερων αντιδραστήρων ήταν το γεγονός ότι οι εκτροπείς δεν μπορούν να επιβιώσουν από τον συνεχή βομβαρδισμό σωματιδίων για περισσότερο από μερικά δευτερόλεπτα. Για να λειτουργήσει εμπορικά η ισχύς σύντηξης, οι μηχανικοί πρέπει να κατασκευάσουν ένα σκάφος tokamak που θα επιβιώσει για χρόνια χρήσης υπό τις απαραίτητες συνθήκες για τη σύντηξη.

Ο τοίχος του εκτροπέα είναι η πρώτη σκέψη. Αν και τα σωματίδια του καυσίμου είναι πολύ πιο ψυχρά όταν φτάνουν στον εκτροπέα, εξακολουθούν να έχουν αρκετή ενέργεια χτυπούν τα άτομα χαλαρά από το υλικό τοιχώματος του εκτροπέα όταν συγκρούονται με αυτόν. Παλαιότερα, ο εκτροπέας του JET είχε έναν τοίχο από γραφίτη, αλλά Ο γραφίτης απορροφά και παγιδεύει πάρα πολύ καύσιμο για πρακτική χρήση.

Γύρω στο 2011, οι μηχανικοί του JET αναβάθμισαν τον εκτροπέα και τα εσωτερικά τοιχώματα του σκάφους σε βολφράμιο. Το βολφράμιο επιλέχθηκε εν μέρει επειδή έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε μέταλλο - ένα εξαιρετικά σημαντικό χαρακτηριστικό όταν ο εκτροπέας είναι πιθανό να αντιμετωπίσει θερμικά φορτία σχεδόν 10 φορές υψηλότερο από τον κώνο μύτης ενός διαστημικού λεωφορείου επανεισόδου στην ατμόσφαιρα της Γης. Το εσωτερικό τοίχωμα αγγείου του tokamak αναβαθμίστηκε από γραφίτη σε βηρύλλιο. Το βηρύλλιο έχει εξαιρετικές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες για έναν αντιδραστήρα σύντηξης—αυτό απορροφά λιγότερο καύσιμο από τον γραφίτη, αλλά μπορεί να αντέξει τις υψηλές θερμοκρασίες.

Η ενέργεια που παρήγαγε το JET ήταν αυτό που έγινε πρωτοσέλιδο, αλλά θα υποστηρίξαμε ότι είναι στην πραγματικότητα η χρήση των νέων υλικών τοίχου που κάνουν το πείραμα πραγματικά εντυπωσιακό, επειδή οι μελλοντικές συσκευές θα χρειάζονται αυτούς τους πιο στιβαρούς τοίχους για να λειτουργούν σε υψηλή ισχύ για ακόμη μεγαλύτερες περιόδους χρονικός. Το JET είναι μια επιτυχημένη απόδειξη της ιδέας για τον τρόπο κατασκευής της επόμενης γενιάς αντιδραστήρων σύντηξης.

Οι επόμενοι αντιδραστήρες σύντηξης

Το JET tokamak είναι ο μεγαλύτερος και πιο προηγμένος αντιδραστήρας μαγνητικής σύντηξης που λειτουργεί αυτή τη στιγμή. Αλλά η επόμενη γενιά αντιδραστήρων είναι ήδη στα σκαριά, κυρίως το πείραμα ITER, πρόκειται να αρχίσει να λειτουργεί το 2027. Το ITER, που στα λατινικά σημαίνει «ο τρόπος», είναι υπό κατασκευή στη Γαλλία και χρηματοδοτείται και διευθύνεται από διεθνή οργανισμό που περιλαμβάνει τις Η.Π.Α.

Ο ITER πρόκειται να χρησιμοποιήσει πολλές από τις προόδους υλικών που η JET έδειξε ότι είναι βιώσιμη. Υπάρχουν όμως και κάποιες βασικές διαφορές. Πρώτον, το ITER είναι τεράστιο. Ο θάλαμος σύντηξης είναι 37 πόδια (11.4 μέτρα) ύψος και 63 πόδια (19.4 μέτρα) γύρω, περισσότερο από οκτώ φορές μεγαλύτερο από το JET. Επιπλέον, το ITER θα χρησιμοποιήσει υπεραγώγιμους μαγνήτες ικανούς να παράγουν ισχυρότερα μαγνητικά πεδία για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους σε σύγκριση με τους μαγνήτες του JET. Με αυτές τις αναβαθμίσεις, ο ITER αναμένεται να καταρρίψει τα ρεκόρ σύντηξης του JET, τόσο για την παραγωγή ενέργειας όσο και για τη διάρκεια της αντίδρασης.

Ο ITER αναμένεται επίσης να κάνει κάτι κεντρικό στην ιδέα ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης: να παράγει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για τη θέρμανση του καυσίμου. Τα μοντέλα προβλέπουν ότι ο ITER θα παράγει περίπου 500 μεγαβάτ ισχύς συνεχώς για 400 δευτερόλεπτα ενώ θα καταναλώνει μόνο 50 MW ενέργειας για τη θέρμανση του καυσίμου. Αυτό σημαίνει τον αντιδραστήρα παρήγαγε 10 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που κατανάλωνε— μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με το JET, η οποία απαιτούσε περίπου τρεις φορές περισσότερη ενέργεια για τη θέρμανση του καυσίμου από αυτή που παρήγαγε για το πρόσφατο Ρεκόρ 59 megajoule.

Το πρόσφατο αρχείο του JET έδειξε ότι η πολυετής έρευνα στη φυσική του πλάσματος και στην επιστήμη των υλικών απέδωσε καρπούς και έφερε τους επιστήμονες στο κατώφλι της αξιοποίησης της σύντηξης για παραγωγή ενέργειας. Ο ITER θα προσφέρει ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός προς τον στόχο των βιομηχανικών σταθμών παραγωγής ενέργειας από σύντηξη.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Image Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Το καλύτερο ανταλλακτήριο Bitcoin και Crypto στην Ευρώπη.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ.
• CryptoHawk. Ραντάρ Altcoin. Δωρεάν δοκιμή.
• Πηγή: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/