Ένα κινεζικό πείραμα σύντηξης κράτησε ένα ζεστό πλάσμα σταθερό ενώ συσκευάζει πολύ περισσότερο καύσιμο από ό,τι συνήθως διακινδυνεύουν οι χειριστές, σπάζοντας ένα μακροχρόνιο ανώτατο όριο πυκνότητας στους αντιδραστήρες tokamak.
Η μαγνητική σύντηξη
Η μελέτη εξηγεί πώς ξεπεράστηκε αυτό το εμπόδιο και γιατί η ώθηση του πλάσματος σε υψηλότερες πυκνότητες θα μπορούσε να οδηγήσει τη μαγνητική σύντηξη πιο κοντά στη διαρκή παραγωγή ενέργειας. Το έγγραφο περιγράφει μια πλήρως υπεραγώγιμη συσκευή σύντηξης στην Κίνα που κρατά το πλάσμα σταθερό ενώ η πυκνότητα ξεπέρασε τα παλιά όρια.
Με το τιμόνι των ρυθμίσεων εκκίνησης, ο καθηγητής Zhu Ping στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong (HUST), οδήγησε το πλάσμα πιο πυκνό χωρίς κατάρρευση. Η ομάδα του Zhu χρησιμοποίησε το Experimental Advanced Superconducting Tokamak, που ονομάζεται EAST, για να φτάσει το 1,3 έως το 1,65 φορές το συνηθισμένο όριο.
Οι μελλοντικοί αντιδραστήρες θα μπορούσαν να αντιγράψουν αυτόν τον πρώιμο έλεγχο, αλλά πρέπει να αποφύγουν τις ξαφνικές διακοπές που βλάπτουν το υλικό.
H σημασία της πυκνότητας του πλάσματος
Η συσκευασία περισσότερων καυσίμων στο πλάσμα αυξάνει την πυκνότητα του πλάσματος, τον αριθμό των σωματιδίων σε ένα δεδομένο χώρο. Σε υψηλότερη πυκνότητα, τα ιόντα συγκρούονται πιο συχνά και κάθε σύγκρουση έχει άλλη μια ευκαιρία να συντήξει και να απελευθερώσει ενέργεια.
Το να διατηρηθεί αυτό το καύσιμο αρκετά ζεστό παραμένει δύσκολο, έτσι οι ερευνητές συνήθως ανταλλάσσουν την πυκνότητα με τη θερμοκρασία για να διατηρήσουν το πλάσμα σταθερό. Όταν μια συσκευή διατηρεί την πυκνότητα χωρίς να συντρίβεται, κερδίζει χρόνο για τους θερμαντήρες να πιέσουν προς την ανάφλεξη σύντηξης, αυτοθερμαίνεται λόγω της ισχύος σύντηξης.
Οι περισσότερες μηχανές μαγνητικής σύντηξης είναι tokamaks, θάλαμοι σε σχήμα δακτυλίου όπου οι μαγνήτες συλλέγουν το πλάσμα σε έναν βρόχο. Σε πολλά tokamaks, η πυκνότητα ώθησης πολύ υψηλή ψύχει την άκρη και το πλάσμα μπορεί να χτυπήσει απότομα στον τοίχο και να τερματιστεί.
Οι χειριστές χρησιμοποιούν συχνά το όριο πυκνότητας Greenwald, έναν εμπειρικό κανόνα που συνδέεται με το ρεύμα πλάσματος, ως προειδοποιητική γραμμή. Η διέλευση αυτής της γραμμής έχει από καιρό αναγκάσει τους μηχανικούς να αποδεχτούν χαμηλότερη πυκνότητα καυσίμου, η οποία επιβραδύνει την πρόοδο προς την πρακτική ισχύ σύντηξης.
Οι τοίχοι που έχουν σημασία
Μια νεότερη ιδέα κατηγορεί το ανώτατο όριο πυκνότητας στις αλληλεπιδράσεις πλάσματος-τοιχώματος, επαφή που απογυμνώνει τα άτομα από την επιφάνεια του θαλάμου.
Όταν τα τοιχώματα απελευθερώνουν αυτά τα άτομα, το πλάσμα μπορεί να εκπέμπει ενέργεια μακριά ως φως, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολο να παραμείνει ζεστό. Γάλλοι ερευνητές πρότειναν μια ιδέα που ονομάζεται αυτοοργάνωση τοίχου πλάσματος, ή PWSO, για να εξηγήσουν πώς το πλάσμα και τα εσωτερικά τοιχώματα της μηχανής επηρεάζουν το ένα το άλλο.
Σύμφωνα με αυτήν την άποψη, η έγκαιρη προσαρμογή των συνθηκών του τοίχου μπορεί να οδηγήσει το πλάσμα σε μια κατάσταση όπου το συνηθισμένο ανώτατο όριο πυκνότητας δεν περιορίζει πλέον την ποσότητα καυσίμου που μπορεί να χωρέσει.
Καθαρότερο πλάσμα, μεγαλύτερη πυκνότητα
Αντί να περιμένει μέχρι να δημιουργηθεί το πλάσμα, η ομάδα EAST εστίασε στην εύθραυστη φάση εκκίνησης. Πρόσθεσαν θέρμανση συντονισμού κυκλοτρονίων ηλεκτρονίων (ECRH), μικροκύματα που θερμαίνουν γρήγορα τα ηλεκτρόνια και τα κράτησαν αναμμένα κατά την εκκίνηση.
Το ECRH και το επιπλέον αέριο άλλαξαν την απόκριση του τοίχου, μειώνοντας τις ακαθαρσίες που συνήθως συσσωρεύονται καθώς αυξάνεται η πυκνότητα. Λιγότερο υλικό τοιχώματος εισήλθε στο πλάσμα, έτσι λιγότερη ενέργεια διέφυγε ως ακτινοβολία και ο πυρήνας παρέμεινε θερμότερος για περισσότερο.Κοντά στον εκτροπέα, το τμήμα του αντιδραστήρα που χειρίζεται την υπερβολική θερμότητα, οι θερμοκρασίες έπεσαν και η κατάσταση υψηλής πυκνότητας παρέμεινε σταθερή.
Το βολφράμιο αλλάζει συμπεριφορά
Το EAST χρησιμοποιεί επιφάνειες βολφραμίου και το πλάσμα αντιδρά διαφορετικά σε αυτό το βαρύ μέταλλο όταν προσκρούει στον τοίχο. Όταν τα ενεργητικά σωματίδια χτυπούν βολφράμιο, μπορούν να χτυπήσουν μικροσκοπικές ποσότητες μετάλλου στο πλάσμα, αλλάζοντας το πόσο καθαρό και σταθερό παραμένει.
Η κατάσταση των τοίχων είχε επίσης σημασία, καθώς οι ίδιες ρυθμίσεις μερικές φορές οδηγούσαν σε διαφορετικά αποτελέσματα αφού προηγούμενες διαδρομές είχαν αλλάξει την επιφάνεια. Αυτή η ευαισθησία υποδηλώνει ότι οι χειριστές θα χρειαστούν προσεκτική και συνεπή προετοιμασία του τοίχου προτού τα άλλα μηχανήματα μπορέσουν να αναπαράγουν αξιόπιστα το ίδιο αποτέλεσμα.
Κλιμάκωση σε μελλοντικούς αντιδραστήρες
Η επίτευξη υψηλότερης πυκνότητας ελέγχοντας προσεκτικά τη φάση εκκίνησης θα μπορούσε να μεταφραστεί σε άλλους αντιδραστήρες, αφού κάθε tokamak πρέπει να περάσει από την ίδια εύθραυστη αρχή. Σε ένα καιόμενο πλάσμα, όπου οι αντιδράσεις σύντηξης παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος της θέρμανσης, η υψηλότερη πυκνότητα μπορεί να αυξήσει την παραγωγή ενέργειας χωρίς να απαιτεί ακραία κέρδη θερμοκρασίας.
Αντί να προσθέτει πέλλετ ή άλλα υλικά για την ενίσχυση του καυσίμου, αυτή η μέθοδος επικεντρώθηκε στη διαχείριση των συνθηκών του τοίχου και στη χρήση του ECRH κατά την εκκίνηση. Εάν άλλοι αντιδραστήρες επιτύχουν την ίδια σταθερή κατάσταση υψηλής πυκνότητας, οι σχεδιαστές μπορεί να είναι σε θέση να πλησιάσουν την ανάφλεξη διατηρώντας παράλληλα ισχυρό περιορισμό του πλάσματος.
Πυκνότητα πλάσματος και το μέλλον της σύντηξης
Η δοκιμή της ιδέας σε λειτουργία υψηλού περιορισμού στο EAST θα δείξει εάν η συμπεριφορά χωρίς πυκνότητα επιβιώνει όταν το πλάσμα αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια. Η υψηλότερη ενέργεια κάνει τις διακοπές πιο σκληρές, επομένως η ομάδα θα χρειαστεί ακριβή έλεγχο του αερίου, την ισχύ ECRH και συνθήκες τοίχου.
Η απόδειξη της μεθόδου σε πιο σκληρούς τρόπους λειτουργίας θα έθεσε σαφέστερους σχεδιαστικούς στόχους, αλλά θα εξακολουθεί να χρειάζεται προσεκτικός έλεγχος και επανάληψη.
www.worldenergynews.gr
