Πυρηνική Σύντηξη: Πιο κοντά και ίσως πιο φθηνή η υλοποίηση της καθαρής ενέργειας!

Πριν από σχεδόν τρία χρόνια, τον Ιούνιο του 2021, είχαμε την άφιξη του κεντρικού σωληνοειδούς στις εγκαταστάσεις του ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), του πειραματικού αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης που μια διεθνής κοινοπραξία με επικεφαλής την Ευρώπη κατασκευάζει στο Cadarache (Γαλλία). Το εξάρτημα αυτό αποτελεί την καρδιά του πολύπλοκου μαγνητικού κινητήρα του αντιδραστήρα και δεν είναι τίποτε άλλο από έναν πολύ ισχυρό υπεραγώγιμο μαγνήτη με κολοσσιαίες διαστάσεις.

Έχει ύψος 18 μέτρα, διάμετρο 4 μέτρα και βάρος 1.000 τόνους. Τοποθετείται στην κεντρική οπή του θαλάμου κενού με σκοπό την πρόκληση ενός τεράστιου ηλεκτρικού ρεύματος στο πλάσμα. Επιπλέον, αυτός ο πολύ ισχυρός μαγνήτης χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση του σχήματος του πλάσματος, τη σταθεροποίησή του και επίσης συμβάλλει στη θέρμανσή του χάρη σε έναν μηχανισμό που είναι γνωστός ως φαινόμενο Joule, βοηθώντας στην αύξηση της θερμοκρασίας του σε περισσότερους από 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Παρόλα αυτά, ο κεντρικός ηλεκτρομαγνήτης δεν είναι σε καμία περίπτωση ο μοναδικός μαγνήτης του ITER. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που είναι τοποθετημένοι στο εξωτερικό του θαλάμου κενού είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου που είναι απαραίτητο για τον περιορισμό του πλάσματος στο εσωτερικό του. Είναι επίσης υπεύθυνοι για τον έλεγχο και τη σταθεροποίησή του. Ζυγίζουν 10.000 τόνους και είναι κατασκευασμένοι από ένα κράμα νιόβιου και κασσίτερου ή νιόβιου και τιτανίου, το οποίο αποκτά υπεραγωγιμότητα όταν ψύχεται με υπερκρίσιμο ήλιο σε θερμοκρασία -269 ºC.

Όπως διαπιστώθηκε πρόσφατα, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες αποτελούν συνολικά ένα θεμελιώδες συστατικό όχι μόνο του ITER, αλλά όλων των πειραματικών αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης (tokamak), όπως ο βρετανικός JET ή ο ιαπωνικός JT-60SA. Το πρόβλημα είναι ότι η κατασκευή τους είναι πολύ ακριβή, οπότε έχουν πολύ μεγάλο αντίκτυπο στο τελικό κόστος του αντιδραστήρα. Ευτυχώς, μια ομάδα ερευνητών από το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πανεπιστημίου Πρίνστον, στο Νιου Τζέρσεϊ (ΗΠΑ), φαίνεται ότι είναι έτοιμη να αλλάξει ριζικά την κατάσταση.

Οι εν λόγω επιστήμονες δημοσίευσαν ένα πολύ ενδιαφέρον άρθρο στο περιοδικό “Journal of Plasma Physics“, στο οποίο αναφέρονται στο σχεδιασμό και την κατασκευή του MUSE, του πρώτου πειραματικού αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης τύπου stellarator που χρησιμοποιεί μόνιμους μαγνήτες και όχι υπεραγώγιμες διατάξεις. Σκοπός του είναι να προτείνει μια νέα στρατηγική κατασκευής για βελτιστοποιημένους αντιδραστήρες stellarator που χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες και επίπεδα πηνία, δύο γνωστά εξαρτήματα που είναι πολύ φθηνότερα από τους υπεραγώγιμους μαγνήτες και επίσης πολύ πιο εύκολα διαχειρίσιμα.

Οι αντιδραστήρες τύπου Stellarator αποτελούν μια πολύ σταθερή εναλλακτική λύση για τα tokamaks, όπως ο ITER ή ο JET. Και δεν είναι ακριβώς αποτέλεσμα πρόσφατης έρευνας. Στην πραγματικότητα, και τα δύο σχέδια αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1950. Ο stellarator σχεδιάστηκε από τον Αμερικανό φυσικό Lyman Spitzer και λειτούργησε ως βάση πάνω στην οποία χτίστηκε το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πανεπιστημίου Princeton, στο οποίο εργάζονται οι συγγραφείς του εν λόγω άρθρου.

Αν εξετάσουμε τη γεωμετρία και των δύο σχεδίων, θα διαπιστώσουμε ότι οι αντιδραστήρες tokamak έχουν σχήμα λουκουμά, ενώ οι stellarators αποκτούν μια πιο σύνθετη δομή που μοιάζει με ένα συστρεφόμενο λουκουμά στον ίδιο του τον εαυτό. Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των δύο σχεδίων είναι ότι στο tokamak πρέπει να δημιουργηθούν τα μαγνητικά πεδία αφενός μεν με πηνία, αφετέρου δε με επαγωγή από το ίδιο το πλάσμα . Το πλεονέκτημα αυτής της στρατηγικής είναι ότι ο αντιδραστήρας δεν είναι τόσο ευαίσθητος σε κατασκευαστικές ατέλειες, επειδή το ίδιο το πλάσμα είναι σε θέση να “προσαρμοστεί”.

Ωστόσο, στους αντιδραστήρες τύπου stellarator τα πάντα γίνονται με μηχανική. Τα πάντα γίνονται με πηνία. Δεν υπάρχει ρεύμα μέσα στο πλάσμα. Αν γίνει κάποιο λάθος και το κατασκευαστεί εσφαλμένα, το πλάσμα δεν περιορίζεται. Η μεγαλύτερη εγγενής πολυπλοκότητα του σχεδιασμού του stellarator έχει προκαλέσει περισσότερες προκλήσεις από τον μαγνητικό περιορισμό του πλάσματος μέσα στον θάλαμο κενού ενός αντιδραστήρα tokamak.

Εάν το project MUSE εξελιχθεί σωστά, η κατασκευή ενός αντιδραστήρα stellarator θα μπορούσε να είναι απλούστερη και φθηνότερη, γεγονός που μεσοπρόθεσμα θα μπορούσε να επιταχύνει την έρευνα στην πυρηνική σύντηξη. Και, ποιος ξέρει, ίσως στο μέλλον οι αντιδραστήρες tokamak , όπως ο ITER, θα μπορούσαν επίσης να επωφεληθούν από αυτή την τεχνολογία.

[via]