Τι είναι και γιατί αποτελεί τη «ραχοκοκκαλιά» της Πυρηνικής Σύντηξης

Υπάρχει ένας σοβαρός λόγος που εξηγεί γιατί δεν έχουμε ακόμη αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης ικανούς να παράγουν μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας: οι συνθήκες που πρέπει να διατηρηθούν σε βάθος χρόνου για να διαρκέσει η αντίδραση σύντηξης είναι εξαιρετικά απαιτητικές. Μία από αυτές είναι ότι το πλάσμα του αντιδραστήρα πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία τουλάχιστον 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου.

Το πλάσμα που περιορίζεται στο θάλαμο κενού ενός πειραματικού αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης, όπως ο ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), η μηχανή σύντηξης που κατασκευάζεται στη γαλλική πόλη Cadarache, είναι ένα πολύ καυτό αέριο που περιέχει το καύσιμο που απαιτείται για την πυροδότηση της αντίδρασης σύντηξης. Και στην περιοχή αυτή το καύσιμο που πιθανώς θα χρησιμοποιηθεί από εμπορικούς αντιδραστήρες σύντηξης, και που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί από ορισμένες πειραματικές διατάξεις, όπως το JET, στην Οξφόρδη (Αγγλία), αποτελείται από πυρήνες δευτερίου και τριτίου.

Ο πυρήνας αυτών των δύο ισοτόπων υδρογόνου έχει θετικό συνολικό ηλεκτρικό φορτίο, επομένως μπορεί να περιοριστεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο.Το πρόβλημα είναι ότι για να συντηρηθούν ένας πυρήνας δευτερίου και ένας πυρήνας τριτίου, είναι απαραίτητο να αποκτήσουν την απαραίτητη κινητική ενέργεια για να ξεπεράσουν τη φυσική τους απώθηση. Και αυτό το ενεργειακό κατώφλι μπορεί να επιτευχθεί μόνο εάν το πλάσμα έχει θερμοκρασία 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου ή περισσότερο.

Το πρώτο γυροτρόνιο (gyrotron) σχεδιάστηκε τη δεκαετία του 1960 στη Σοβιετική Ένωση. Έκτοτε ο σχεδιασμός του έχει βελτιωθεί σημαντικά, οπότε τα σημερινά γυροτρόνια, αν και διατηρούν τις ίδιες αρχές λειτουργίας των μηχανημάτων της δεκαετίας του ’60 και του ’70, είναι πολύ πιο προηγμένα. Στην πραγματικότητα, αποτελούν βασικό συστατικό της σύνθεσης των πειραματικών αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης που χρησιμοποιούν μαγνητικό περιορισμό, όπως τα tokamaks ή οι stellarators.

Η κύρια λειτουργία των γυροτρονίων στον τομέα της ενέργειας σύντηξης είναι η θέρμανση του πλάσματος, αλλά είναι επίσης υπεύθυνα για τη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω αυτού του αερίου σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Για να επιτελέσουν αυτή τη διπλή λειτουργία παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με τη μορφή χιλιοστομετρικών κυμάτων, και το εκπληκτικό είναι ότι τα σημερινά γυροτρόνια είναι ικανά να φτάσουν σε επίπεδα ισχύος έως και μερικά μεγαβάτ. Στην πραγματικότητα, αυτό το χαρακτηριστικό είναι που τους επιτρέπει να θερμαίνουν το πλάσμα στην ακραία θερμοκρασία που απαιτείται από τους πειραματικούς αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης.

Σε γενικές γραμμές, ένα γυροτρόνιο είναι ένα είδος κανονιού σχεδιασμένο να εκτοξεύει ηλεκτρόνια. Τα σωματίδια αυτά έχουν αρνητικό φορτίο, οπότε μπορούν να περιοριστούν μέσα σε ένα σωλήνα χρησιμοποιώντας ένα πολύ έντονο μαγνητικό πεδίο που τα αναγκάζει επίσης να περιστρέφονται με πολύ υψηλή ταχύτητα. Καθώς τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται, περνούν μέσα από ένα θάλαμο που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει την ενέργειά τους σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Ωστόσο, αυτό δεν είναι το μόνο καθήκον αυτού του θαλάμου: είναι επίσης υπεύθυνο για τη διανομή των ηλεκτρονίων σε μικρές ομάδες, γνωστές ως συστάδες. Αυτή η κατανομή είναι σημαντική επειδή επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να απελευθερώνουν την ενέργειά τους με πολύ πιο αποτελεσματικό τρόπο. Αυτή ακριβώς η ενέργεια μετατρέπεται σε μικροκύματα υψηλής ισχύος. Το τελευταίο βήμα είναι το απλούστερο: τα μικροκύματα εξέρχονται από το γυροτρόνιο και χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του πλάσματος που περιέχει τους πυρήνες δευτέριου και τριτίου που θα παρέμβουν στην αντίδραση πυρηνικής σύντηξης. Ανεξάρτητα από το πόσο προηγμένη είναι αυτή η συσκευή, είναι συγκλονιστικό το γεγονός ότι καταφέρνει να θερμάνει κάτι σε θερμοκρασία άνω των 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου.

[via]