Πώς να επενδύσετε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα
Ένα από τα μεγαλύτερα ερωτηματικά που κρέμονται πάνω από το έργο του αντιδραστήρα σύντηξης ITER - μια γιγάντια διεθνή συνεργασία που κατασκευάζεται αυτή τη στιγμή στη Γαλλία - είναι το ποιο υλικό θα χρησιμοποιηθεί για την επίστρωση του εσωτερικού του τοίχου. Άλλωστε, ο αντιδραστήρας πρέπει να αντέξει θερμοκρασίες 100.000°C και έντονο βομβαρδισμό σωματιδίων.
Οι ερευνητές απάντησαν τώρα σε αυτό το ερώτημα τοποθετώντας εκ νέου τη μεγαλύτερη συσκευή σύντηξης του κόσμου, το Joint European Torus (JET) κοντά στην Οξφόρδη, στο Ηνωμένο Βασίλειο, με μια επένδυση παρόμοια με αυτή που σχεδιάστηκε για το ITER. Ο νέος τοίχος που μοιάζει με ITER του JET, ένας συνδυασμός βολφραμίου και βηρυλλίου, διαβρώνεται πιο αργά και συγκρατεί λιγότερο καύσιμο από την επένδυση που χρησιμοποιήθηκε σε παλαιότερους αντιδραστήρες σύντηξης, αναφέρει η ομάδα. "Αυτά ήταν πολύ καλά νέα, γιατί σημαίνει ότι η επιλογή των υλικών μας για το ITER ήταν η σωστή", λέει ο φυσικός Peter de Vries, επικεφαλής της ομάδας εργασίας και συνεδρίας στο JET.
Η σύντηξη είναι η διαδικασία που τροφοδοτεί τον ήλιο και τα αστέρια και, ενδεχομένως, είναι η τέλεια πηγή ενέργειας. Τα απαραίτητα καύσιμα είναι εύκολα προσβάσιμα και ουσιαστικά ανεξάντλητα και η διαδικασία δεν παράγει αέρια θερμοκηπίου ή πυρηνικά απόβλητα μεγάλης διάρκειας ζωής. Για καύσιμο, απαιτεί δευτέριο και τρίτιο (μορφές υδρογόνου με ένα και δύο επιπλέον νετρόνια, αντίστοιχα, στους πυρήνες τους). Αυτά πρέπει να θερμανθούν έτσι ώστε να σχηματίσουν πλάσμα - ένα ιονισμένο αέριο - και όταν φτάσουν περίπου τους 150 εκατομμύρια °C, οι πυρήνες συγκρούονται με τέτοια δύναμη που ξεπερνούν την αμοιβαία απώθησή τους και συντήκονται σε έναν νέο, μεγαλύτερο πυρήνα. Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι ένας πυρήνας ηλίου και ένα πολύ ενεργητικό νετρόνιο, του οποίου η ενέργεια συλλέγεται αργότερα με τη μορφή θερμότητας.
Αλλά η σκληρή αλήθεια είναι ότι δεν είναι καθόλου εύκολο να εκτελεστεί αυτή η διαδικασία σύντηξης με ελεγχόμενο τρόπο. Η τρέχουσα προτιμώμενη τεχνική είναι η χρήση ενός αντιδραστήρα που ονομάζεται tokamak, ο οποίος χρησιμοποιεί ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες για να περιορίσει το πλάσμα μέσα σε ένα δοχείο αντιδραστήρα σε σχήμα ντόνατ. Οι μαγνήτες στοχεύουν να κρατήσουν το πλάσμα μακριά από τα τοιχώματα του αγγείου για αρκετό καιρό ώστε οι πυρήνες να συντηχθούν, αλλά το πλάσμα μπορεί συχνά να μετακινηθεί με απρόβλεπτους τρόπους. Εάν το πλάσμα αγγίξει το τοίχωμα, αυτό μπορεί να το κρυώσει κάτω από τη θερμοκρασία αντίδρασης και επίσης να καθαρίσει τα άτομα του υλικού επένδυσης που δηλητηριάζουν την αντίδραση σύντηξης. Και το τρίτιο είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο που οι χειριστές των αντιδραστήρων πρέπει να λάβουν υπόψη πολύ προσεκτικά. Κάθε τρίτιο που ενσωματώνεται στο τοίχωμα του αντιδραστήρα πρέπει να εξαχθεί με κόπο.
Κανένας αντιδραστήρας σύντηξης δεν έχει παράγει ακόμη περισσότερη ενέργεια από αυτή που χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση του πλάσματος αρχικά. Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν μεγάλες ελπίδες για τον ITER, τον τεράστιο αντιδραστήρα με εκτιμώμενη τιμή έως και 20 δισεκατομμύρια δολάρια που κατασκευάζεται τώρα στη νότια Γαλλία από την Κίνα, την Ευρωπαϊκή Ένωση, την Ινδία, την Ιαπωνία, τη Ρωσία, τη Νότια Κορέα και την Ηνωμένες Πολιτείες.
Η πιο κοινή επένδυση του αντιδραστήρα, γνωστή ως το πρώτο τοίχωμα, σε παλαιότερους αντιδραστήρες σύντηξης ήταν ο άνθρακας επειδή είναι εξαιρετικά ανθεκτικός στις υψηλές θερμοκρασίες και τη διάβρωση και δεν μολύνει το πλάσμα εάν εισέλθουν άτομα σε αυτό. Το μεγάλο μειονέκτημα του άνθρακα είναι ότι απορροφά πολύ ευχάριστα το δευτέριο και το τρίτιο. Για τον ITER, τον πρώτο αντιδραστήρα που χρησιμοποιεί τρίτιο σε τακτική βάση, η απορρόφηση του τριτίου πρέπει να περιοριστεί στο ελάχιστο, έτσι ώστε ο άνθρακας να είναι έξω.
Δεδομένου ότι δεν υπάρχει τέλειο υλικό, το σχέδιο είναι να συμβιβαστούν και να χρησιμοποιηθούν δύο διαφορετικά υλικά. Το μεγαλύτερο μέρος του πρώτου τοίχου θα είναι επικαλυμμένο με βηρύλλιο, το οποίο είναι το λιγότερο ρυπογόνο μέταλλο, αλλά έχει χαμηλό σημείο τήξης εάν έρθει σε επαφή με το πλάσμα. Στο κάτω μέρος του δακτυλίου υπάρχει μια δομή που ονομάζεται εκτροπέας, η οποία μοιάζει με τον σωλήνα εξάτμισης του αντιδραστήρα επειδή εξάγει ήλιο από το πλάσμα. Ο εκτροπέας έρχεται εσκεμμένα σε επαφή με το πλάσμα και έτσι χρειάζεται μια πιο σκληρή επίστρωση. Για αυτό, το σχέδιο είναι να χρησιμοποιηθεί βολφράμιο, το οποίο μπορεί να αντέξει τη θερμότητα στην περιοχή του εκτροπέα - χαμηλότερη από ό, τι στο μεγαλύτερο μέρος του πλάσματος - αλλά αν κάποιο μέρος διαβρωθεί, δηλητηριάζει πολύ άσχημα το πλάσμα.
Τα στοιχεία βολφραμίου του εκτροπέα "είναι σχεδιασμένα για να χειρίζονται σταθερές ροές θερμότητας διπλάσιες από αυτές που βιώνει ο μύτης του διαστημικού λεωφορείου κατά την επανείσοδο στην ατμόσφαιρα της Γης", λέει ο φυσικός Richard Pitts, επικεφαλής του Plasma-Wall Interaction and Divertor. Ομάδα Φυσικής στο ITER. Οι σχεδιαστές του αντιδραστήρα θέλουν ο εκτροπέας να επιβιώσει για πολλά χρόνια λειτουργίας πλάσματος πριν από την αντικατάσταση, η οποία είναι μια σημαντική λειτουργία. "Το να πρέπει να αντικαταστήσετε έναν εκτροπέα σημαίνει ότι θα πρέπει να σταματήσετε να παράγετε πλάσμα και στη συνέχεια να στείλετε ρομπότ, επειδή το εσωτερικό του σκάφους έχει γίνει ραδιενεργό. Αυτός ο απομακρυσμένος χειρισμός είναι μια επίπονη και αργή διαδικασία που θα απαιτήσει 6 έως 12 μήνες στο ITER », λέει ο Πιτς, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ομάδα ITER ήθελε να βεβαιωθεί απολύτως ότι η προτεινόμενη επένδυση θα λειτουργούσε. Για να το κάνουν αυτό, ζήτησαν τη βοήθεια του JET, ενός αντιδραστήρα που κατασκευάστηκε τη δεκαετία του 1980 και του σημερινού κατόχου ρεκόρ σύντηξης για την παραγωγή ενέργειας—16 μεγαβάτ. «Στην πραγματικότητα, το JET είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον ITER», λέει ο Pitts. Είναι ένα βασικό πειραματικό περιβάλλον για τη δοκιμή υλικών και διεργασιών για τον αντιδραστήρα. Κατά τη διάρκεια της πιο πρόσφατης γενικής επισκευής του JET, η οποία διήρκεσε από τον Μάιο του 2010 έως τον Μάιο του 2011, τα εξαρτήματα για το εσωτερικό τοίχωμα του σκάφους του καθώς και ο εκτροπέας —που προηγουμένως κατασκευαζόταν κυρίως από άνθρακα— αντικαταστάθηκαν από αυτά που είχαν προγραμματιστεί για το ITER:χιλιάδες πλακίδια βηρυλλίου για τον τοίχο και τα στοιχεία βολφραμίου για τον εκτροπέα.
Τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν κατά τη λειτουργία αυτού του αναβαθμισμένου μηχανήματος JET ήταν πολύ θετικά. Το τοίχωμα του βηρυλλίου διαβρώθηκε πολύ πιο αργά υπό την επίδραση του πλάσματος από το προηγούμενο τοίχωμα άνθρακα, ανέφερε η ομάδα σε μια διάσκεψη τον περασμένο μήνα. Αλλά ακόμα πιο σημαντικό:Διατήρησε τα καύσιμα στο ένα δέκατο της τιμής. "Η κατακράτηση καυσίμου ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα. Όταν το τρίτιο από το πλάσμα απορροφήθηκε από τον άνθρακα, μπορεί να απελευθερωθεί αργότερα. Αυτό καθιστά πολύ δύσκολο τον έλεγχο του καυσίμου στο πλάσμα", λέει ο de Vries του JET. "Ακόμα περισσότερο, η συνολική ποσότητα τριτίου που διατηρείται στο ITER θα πρέπει να περιοριστεί. Διαφορετικά, αυτό μπορεί να αποτελέσει κίνδυνο για την ασφάλεια και ο αντιδραστήρας θα πρέπει να σταματήσει."
Υπάρχουν, ωστόσο, σημαντικές διαφορές κλίμακας μεταξύ του JET και του ITER, όπως στη διάρκεια κάθε παλμού πλάσματος. Στο JET, το πλάσμα διατηρείται μόνο για περίπου 40 δευτερόλεπτα — αρκετά για να συγκεντρωθούν πολλά δεδομένα. Το ITER θα λειτουργεί σε παλμούς τουλάχιστον 10 λεπτών, πράγμα που σημαίνει μεγαλύτερη επίδραση στα υλικά που αντιμετωπίζουν το πλάσμα. Τόσο το μεγαλύτερο μέγεθος του ITER όσο και αυτοί οι μεγαλύτεροι παλμοί θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε βομβαρδισμό υλικών εκτροπέων από πολλά περισσότερα σωματίδια κατά τη διάρκεια της ζωής τους. "Ο εκτροπέας στο ITER θα πιάσει περισσότερα σωματίδια σε μια μέρα λειτουργίας από ό,τι το ίδιο εξάρτημα στο JET σε μια δεκαετία", λέει ο Pitts του ITER. Για το λόγο αυτό, το Ολλανδικό Ινστιτούτο για τη Θεμελιώδη Έρευνα Ενέργειας έχει κατασκευάσει μια συσκευή που ονομάζεται Magnum-PSI. Αυτή είναι η μόνη μηχανή στον κόσμο στην οποία μπορεί κανείς να εκθέσει μια δοκιμαστική επιφάνεια στη συνεχή ροή σωματιδίων που αναμένεται στον εκτροπέα ITER, με την παρουσία ενός πολύ ισχυρού μαγνητικού πεδίου, όπως στο ITER.
Το JET είναι πλέον προσωρινά εκτός λειτουργίας, ενώ πλακίδια από βηρύλλιο από τη γενική επένδυση και βολφράμιο από τον εκτροπέα αφαιρούνται από έναν βραχίονα ρομπότ για να μελετηθούν σχολαστικά για μοτίβα διάβρωσης. Θα ξεκινήσει ξανά στις αρχές του 2013. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ελπίζουν να προσπαθήσουν να λιώσουν σκόπιμα μέρος του βολφραμίου για να δουν τι θα συμβεί. "Ελπίζουμε ότι τα χαμηλά επίπεδα ζημιάς στον εκτροπέα μπορούν να γίνουν ανεκτά από το πλάσμα. Αυτός είναι ο μεγαλύτερος άγνωστος που σχεδιάζουμε να ξεκινήσουμε το ITER με στόχους εκτροπέα βολφραμίου", λέει ο Pitts.
