Μετά το ITER, πολλά άλλα εμπόδια για την Fusion Power

Ο φορέας που είναι υπεύθυνος για την έρευνα σύντηξης στην Ευρώπη δημοσίευσε έναν οδικό χάρτη για να τον μεταφέρει από τον ITER —έναν γιγάντιο διεθνή αντιδραστήρα υπό κατασκευή στη Γαλλία, ο οποίος θα είναι ο πρώτος που θα παράγει χρήσιμες ποσότητες ενέργειας— σε ένα πρωτότυπο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας από σύντηξη έτοιμο για βιομηχανία έως το 2050 Αν και η επιτυχής λειτουργία του ITER, που απέχει ακόμη περισσότερα από 6 χρόνια, θα θεωρηθεί σημαντική ανακάλυψη για την ενέργεια σύντηξης, ο νέος οδικός χάρτης από την Ευρωπαϊκή Συμφωνία Ανάπτυξης Σύντηξης (EFDA) περιλαμβάνει μια τρομακτική λίστα με τα τεχνικά εμπόδια που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες σύντηξης και οι μηχανικοί εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν τις επόμενες δεκαετίες.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης χρησιμοποιούν την πηγή ενέργειας του ήλιου και των αστεριών - συντήκοντας ισότοπα υδρογόνου - για να παράγουν ενέργεια. Για να γίνει αυτό, πρέπει να συμπιέσουν και να θερμάνουν ένα πλάσμα καυσίμου σύντηξης σε εκπληκτικές θερμοκρασίες, τουλάχιστον 150 εκατομμύρια °C, χρησιμοποιώντας ισχυρούς μαγνήτες, ραδιοκύματα και δέσμες σωματιδίων. Χρειάζεται τόση πολλή ενέργεια για να φτάσει ένα πλάσμα σε μια θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει σύντηξη που κανένας αντιδραστήρας δεν έχει ακόμη παράγει καθαρό ενεργειακό κέρδος.

Ο ITER αναμένεται να ξεπεράσει αυτό το φράγμα και να παράγει 500 μεγαβάτ από μια είσοδο 50 MW για περιόδους λίγων λεπτών. Αλλά θα είναι μόνο μια επιστημονική απόδειξη. Το ITER δεν θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η δουλειά θα αφεθεί στον διάδοχό του, το πρωτότυπο εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής DEMO. Οι ερευνητές του Fusion μόλις αρχίζουν να σκέφτονται σχέδια για DEMO, αλλά φαίνεται όλο και πιο πιθανό ότι δεν θα είναι μια παγκόσμια συνεργασία όπως η ITER, μέλη της οποίας είναι η Κίνα, η Ευρωπαϊκή Ένωση, η Ινδία, η Ιαπωνία, η Ρωσία, η Νότια Κορέα και οι Ηνωμένες Πολιτείες κράτη.

Η Κορέα ανακοίνωσε πρόσφατα ότι άρχιζε τις προκαταρκτικές εργασίες σχεδιασμού σε έναν αντιδραστήρα επόμενου βήματος που ονομάζεται K-DEMO. Η Κίνα εργάζεται ήδη σε ένα σχέδιο για ένα ενδιάμεσο βήμα μεταξύ ITER και DEMO που ονομάζεται China Fusion Engineering Test Reactor. Και τώρα η EFDA έχει χαράξει τον δικό της δρόμο προς το DEMO. Ο οργανισμός δεν αποκλείει τη διεθνή συνεργασία, αλλά έχει σχεδιάσει τον οδικό χάρτη έτσι ώστε οποιαδήποτε έρευνα να χωράει στα όρια της Ε.Ε. προϋπολογισμός σύντηξης για το 2014 έως το 2020, αν και μπορεί να χρειαστεί να αναθεωρηθεί μόλις ο συνολικός προϋπολογισμός της Ε.Ε. ο προϋπολογισμός θα συμφωνηθεί αργότερα φέτος.

Ο οδικός χάρτης της EFDA αναγνωρίζει ότι ο ITER είναι το κλειδί για την πρόοδο προς την παραγωγή ενέργειας από σύντηξη και επομένως πρέπει να καταβληθούν όλες οι προσπάθειες για να διασφαλιστεί η επιτυχία του, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας διαφόρων σεναρίων λειτουργίας σε μικρότερους υπάρχοντες αντιδραστήρες. Το μεγαλύτερο αναπάντητο ερώτημα, λέει ο οδικός χάρτης, είναι πώς να αφαιρέσετε τα καυσαέρια από μια μελλοντική μηχανή. Ο ITER και άλλοι παρόμοιοι σύγχρονοι αντιδραστήρες, γνωστοί ως tokamaks, έχουν μια δομή στο κάτω μέρος που είναι γνωστή ως εκτροπέας που, μεταξύ άλλων, αφαιρεί το αναλωμένο καύσιμο από το δοχείο πλάσματος. Ως το μόνο μέρος στο δοχείο όπου το πλάσμα αγγίζει σκόπιμα μια στερεή επιφάνεια, πρέπει επίσης να απορροφά πολλή θερμότητα. Ο εκτροπέας του ITER είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα και επικαλυμμένος με βολφράμιο. Αυτό θα πρέπει να λειτουργεί σε έναν ερευνητικό αντιδραστήρα που λειτουργεί με χαμηλότερη ισχύ και το πολύ για λίγα λεπτά τη φορά, αλλά το DEMO θα παράγει πολλά γιγαβάτ ισχύος συνεχώς και αυτό το θερμικό φορτίο μπορεί να είναι πολύ μεγάλο για έναν τυπικό εκτροπέα.

Ο οδικός χάρτης λέει ότι οι ερευνητές πρέπει να εργαστούν σε άλλα σχέδια ως εφεδρικό. Αυτά θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν εναλλακτικά σχήματα που απλώνουν την περιοχή επαφής για να μειώσουν το θερμικό φορτίο ή να επιτρέπουν στο πλάσμα να εκπέμπει περισσότερη θερμότητα πριν έρθει σε επαφή με τον εκτροπέα. Οι εναλλακτικές λύσεις θα πρέπει να δοκιμάζονται σε ένα προσαρμοσμένο υπάρχον tokamak ή σε μια ειδικά κατασκευασμένη εγκατάσταση δοκιμών, λέει η EFDA.

Ένα άλλο μεγάλο άγνωστο είναι το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για τη δομή και την επένδυση του δοχείου πλάσματος του DEMO και άλλων εξαρτημάτων που κοιτάζουν προς το πλάσμα. Η σύντηξη παράγει νετρόνια υψηλής ενέργειας και ο βομβαρδισμός από το DEMO θα είναι έντονος. Τα νετρόνια χτυπούν τα άτομα σε στερεά από τη θέση τους, εξασθενώντας τα και καθιστώντας τα ραδιενεργά. Απαιτείται έρευνα για την εύρεση υλικών που μπορούν να αντέξουν σε δεκαετίες συνεχούς βομβαρδισμού νετρονίων, αλλά δεν υπάρχει καμία υπάρχουσα πηγή νετρονίων αρκετά έντονη για να τα δοκιμάσει. Ένας σχεδιασμός για μια πηγή νετρονίων που βασίζεται σε επιταχυντή αναπτύσσεται ως συμπλήρωμα του έργου ITER, αλλά η EFDA πιστεύει ότι κάτι χρειάζεται νωρίτερα.

Η EFDA θέλει επίσης να γίνει περισσότερη δουλειά στη λεγόμενη «κουβέρτα τριτίου», τμήματα του τοιχώματος των αγγείων πλάσματος στα οποία τα νετρόνια από τον αντιδραστήρα μετατρέπουν το λίθιο σε τρίτιο, ένα από τα καύσιμα σύντηξης. Θα πρέπει να αναπτυχθούν εναλλακτικά σχέδια κουβέρτας σε περίπτωση που αυτό που θα δοκιμαστεί στο ITER δεν είναι επιτυχές. Ο οδικός χάρτης απαιτεί επίσης μεγαλύτερη συμμετοχή της βιομηχανίας στις προετοιμασίες για το DEMO, καθώς θα πρέπει να αναλάβει την ανάπτυξη της σύντηξης μόλις ολοκληρωθεί το DEMO και να ενισχυθεί η θεωρία και η μοντελοποίηση του πλάσματος.

Ως απόλυτο εφεδρικό σχέδιο, ο οδικός χάρτης υποστηρίζει τη συνέχιση της έρευνας στους αστεριστές, ένα εναλλακτικό σχέδιο αντιδραστήρων σύντηξης που δεν ευνοήθηκε όταν τα tokamaks ήρθαν στη σκηνή στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Ο γερμανικός stellarator Wendelstein 7-X, ο οποίος πρόκειται να ολοκληρωθεί το επόμενο έτος, θα μπορούσε να προσφέρει το μοντέλο για μια μεταγενέστερη έκδοση παραγωγής ενέργειας που θα ονομαστεί HELIAS.