Διεπιστημονική ομάδα λύνει το ερευνητικό ζήτημα της πυρηνικής σύντηξης.

Από σελίδα του UniSci  10-Απριλίου-2001

Μια ερευνητική ομάδα έχει επιλύσει ένα από τα πολλά ζητήματα που εμποδίζουν την επιτυχή σύντηξη, με μαγνητικό περιορισμό. Ανακάλυψε λοιπόν έναν τρόπο για να εμποδίσουν το πλάσμα της σύντηξης να διαβρώσει τα τοιχώματα εκτροπής (divertor) των μηχανών σύντηξης tokamak. (Δείτε παρακάτω σχετικές πληροφορίες για το tokamak που είναι ένα αρκτικόλεξο που προέρχεται από τις ρωσικές λέξεις που σημαίνουν τη "σπειροειδής θάλαμος και μαγνητική σπείρα". Αποτελεί δε την πιό επιτυχημένη προσπάθεια κατασκευής αντιδραστήρα σύντηξης, στον οποίο το πλάσμα που έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη των 10⁸ Kelvin, συγκρατείται με τη βοήθεια μαγνητικού πεδίου). Επιστήμονες από τα εθνικά εργαστήρια Sandia του τμήματος της ενέργειας (DOE), την General Atomics και το Πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο αποτέλεσαν αυτήν την ερευνητική ομάδα.

Τα τοιχώματα εκτροπής είναι η περιοχή σε ένα tokamak, όπου οι υλικές επιφάνειες είναι σε άμεση επαφή με το πλάσμα τήξης της παραγωγής ενέργειας. Η διάβρωση είναι ανεπιθύμητη επειδή αυξάνει την ανάγκη να αντικατασταθούν τα συστατικά στο τμήμα divertor, μολύνει το πλάσμα και προκαλεί υλικές αποθέσεις σε ανεπιθύμητες θέσεις -- όλα αυτά είναι προβλήματα για μια επιτυχή τήξη.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μηχανή μαγνητικής σύντηξης tokamak, στην General Atomics στο Σαν Ντιέγκο και στο σύστημα αξιολόγησης υλικών εκτροπής (DiMES), για να πραγματοποιήσουν πειράματα, και που παρουσίασαν διάβρωση που όμως αποβάλλεται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της, με αποσπώμενα πλάσματα.

Με την σύντηξη, ενώνονται ελαφρείς πυρήνες, όπως τα άτομα του υδρογόνου, για να διαμορφώσουν έτσι βαρύτερους πυρήνες. Στη διαδικασία αυτή, μια ποσότητα από τη μάζα του υδρογόνου μετατρέπεται σε ενέργεια -- με τον ίδιο τρόπο που ο ήλιος δημιουργεί την ενέργεια του. Ο στόχος είναι να μετατραπεί αυτή η ενέργεια σύντηξης σε ηλεκτρική ενέργεια. Στα άστρα η σύντηξη του υδρογόνου συντελείται λόγω της βαρυτικής πίεσης που ασκεί η τεράστια μάζα του άστρου. Στη Γη, όμως, η απαιτούμενη πίεση πρέπει να επιτευχθεί με άλλο τρόπο. Σύμφωνα με μία μέθοδο, χρησιμοποιούνται ισχυρά μαγνητικά πεδία σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται Tokamak. Οταν το υδρογόνο συμπιεστεί μέσα σε αυτές τις μηχανές, σχηματίζεται πλάσμα, δηλαδή εκείνη η κατάσταση της ύλης που κυριαρχεί στον Ηλιο. Το πλάσμα καταστρέφει, όμως, με διάβρωση ένα τοίχωμα αυτών των μηχανών που ονομάζεται divertor και έχει αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία της πυρηνικής σύντηξης.

Ενώ υπάρχουν διάφοροι τρόποι να παραχθεί αυτή η σύντηξη, μεταξύ της πιό υπόσχόμενης συσκευής είναι το tokamak, μια μεγάλη διαμορφωμένη μαγνητική συσκευή περιορισμού του πλάσματος. Το δε ρεύμα που δημιουργείται μέσα στο πλάσμα,   που είναι φιαγμένο από δευτέριο και τρίτιο, φθάνει έως και εκατομμύρια ampere.. Ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο περιορίζει το πλάσμα, το οποίο θερμαίνουν σε περισσότερο από εκατό εκατομμυρίων βαθμων Κελσίου, ακτίνες σωματιδίων υψηλής ενέργειας ή κύματα ραδιοσυχνότητας.

Το καυτό πλάσμα ταξιδεύει γρήγορα, παράλληλα με το μαγνητικό πεδίο. Το πλάσμα στην εξωτερική όμως περιοχή, ρέει σε ένα χωριστό θάλαμο, όπου χτυπά την επιφάνεια του μηχανισμού εκτροπής (divertor) και εξουδετερώνεται. Ο μηχανισμός εκτροπής αποτρέπει το πλάσμα από την σύγκρουση και την υποβάθμιση των τοίχων των θαλάμων και την παραγωγή ακαθαρσιών, που θα έψυχαν έτσι και θα μόλυναν το κύριο πλάσμα. Κατασκευασμένο δε με γραφίτη, για να μπορεί να επιζήσει έτσι των υψηλών φορτίων θερμότητας, ο μηχανισμός εκτροπής μπορεί να διαβρωθεί από το πλάσμα του υδρογόνου.

"Επειδή οι σημερινές ερευνητικές μηχανές σύντηξης δεν λειτουργούν για μεγάλες χρονικές περιόδους (χαρακτηριστικά λιγότερο από 10 λεπτά ημερησίως), η διάβρωση δεν είναι ένα σημαντικό πρόβλημα, " λέει ο Bill Wampler, ερευνητής της Sandia που μελετά τη διάβρωση τοίχων εκτροπής. "Αλλά όταν έχουμε τελικά έναν αντιδραστήρα σύντηξης που λειτουργεί όλη την ημέρα, η διάβρωση θα είναι ένα μεγάλο ζήτημα."

Μς απλά  λόγια η ομάδα έδειξε ότι η διάβρωση των εκτροπέων, μπορεί να αποβληθεί με το να αναγκάσει τα πλάσματα να αποκολληθούν. Τα αποκολλημένα πλάσματα δημιουργούνται με την έγχυση του αερίου δευτέριου στο πλάσμα.  Το αέριο αυτό, ψύχει το πλάσμα κοντά την επιφάνεια divertor αλλά δεν ψύχει σημαντικά το πλάσμα των πυρήνων στον κύριο θάλαμο. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του αποσυνδεμένου πλάσματος στους τοίχους εκτροπής, μειώνει την ενέργεια των ατόμων και των ιόντων υδρογόνου που προσκρούουν στην επιφάνεια.

Η πυρηνική σύντηξη

Η πυρηνική σύντηξη αποτελεί όχι μόνο μία ελπιδοφόρα μέθοδο επίλυσης του ενεργειακού προβλήματος της ανθρωπότητας, αλλά αποτελεί και μια ελπίδα για την αποφυγή της πυρηνικής μόλυνσης καθώς και της μόλυνσης της ατμόσφαιρας από τα αέρια του θερμοκηπίου γενικώτερα.

Η πιό εφαρμοσμένη ιδέα για τον περιορισμό του πλάσματος, είναι το tokamak. Το tokamak (ένα αρκτικόλεξο που προέρχεται από τις ρωσικές λέξεις για το σπειροειδή μαγνητικό περιορισμό) εισήχθη στα μέσα της δεκαετίας του '60 από τους σοβιετικούς φυσικούς του πλάσματος. Οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου είναι έλικες που κινούνται σπειροειδώς γύρω από το δακτύλιο (torus). Το ελικοειδές μαγνητικό πεδίο έχει δύο συστατικά: (1) ένα σπειροειδές συστατικό (toroidal), που σημειώνει το μακρύ δρόμο γύρω από το δακτύλιο, και (2) ένα πολικό (poloidal) συστατικό που σημειώνει το σύντομο δρόμο γύρω από τη μηχανή.

Το σπειροειδές πεδίο παράγεται από τις σπείρες που περιβάλλουν τον σπειροειδή κενό θάλαμο, ο οποίος περιέχει το πλάσμα. (Το πλάσμα πρέπει να τοποθετηθεί μέσα ένα θάλαμο απόλυτου κενού, για  να το αποτρέψει από την ψύξη από τις αλληλεπιδράσεις με τα σωματίδια του αέρα.)
Το πολικό πεδίο παράγεται από ένα σπειροειδές ηλεκτρικό ρεύμα που αναγκάζεται να διαρεύσει μέσα στο αγώγιμο πλάσμα.

Και τα δύο συστατικά είναι απαραίτητα για για να είναι το πλάσμα σε σταθερή ισορροπία. Εάν το πολικό (poloidal) πεδίο  ήταν μηδέν έτσι ώστε οι γραμμές του πεδίου να ήταν απλά κύκλοι που τυλίγονται γύρω από τον δακτύλιο του πλάσματος, το πλάσμα τότε δεν θα ήταν στην ισορροπία. Τα σωματίδια δεν θα ακολουθούσαν αυστηρά τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου αλλά θα παρασύρονταν στα τοιχώματα. Η προσθήκη του poloidal πεδίου βοηθάει τις τροχιές των σωματιδίων να βρίσκονται μέσα στη συσκευή.
Εάν το σπειροειδές πεδίο ήταν όμως μηδέν, έτσι ώστε οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου να κατεύθυναν μόνο το σύντομο δρόμο, γύρω από το δακτύλιο, το πλάσμα θα ήταν μεν σε ισορροπία αλλά θα ήταν ασταθές δε. Η στήλη του πλάσματος θα ανέπτυσσε τότε  αυξανόμενες διαστρεβλώσεις, ή συστροφές, οι οποίες θα έφερναν το πλάσμα στα τοιχώματα.