Η συσκευή Twisty εξερευνά εναλλακτικό μονοπάτι για τη σύντηξη
Μήπως η αναζήτηση για ενέργεια σύντηξης, που επί μακρόν κυριαρχείται από συσκευές σε σχήμα ντόνατ που ονομάζονται tokamaks, πρόκειται να αλλάξει σχήμα; Ακριβώς όπως το ITER, το μεγαλύτερο tokamak στον κόσμο - και με δεκάδες δισεκατομμύρια δολάρια το πιο ακριβό - πλησιάζει στην ολοκλήρωσή του στους λόφους της νότιας Γαλλίας, μια πολύ μικρότερη βάση δοκιμών με πιο στριφογυριστή γεωμετρία θα αρχίσει να στραγγαλίζει σε πλήρη ισχύ στη Γερμανία.
Εάν η συσκευή πλάτους 16 μέτρων, που ονομάζεται stellarator, μπορεί να ταιριάξει ή να ξεπεράσει σε απόδοση παρόμοιου μεγέθους tokamak, θα μπορούσε να προκαλέσει τους επιστήμονες της σύντηξης να ξανασκεφτούν το μέλλον του τομέα τους. Οι Stellarators έχουν πολλά βασικά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής ικανότητας να διατηρούν τα κυλούμενα υπερκαυτά αέρια που περιέχουν αρκετά σταθερά ώστε να συντήκουν πυρήνες και να απελευθερώνουν ενέργεια. Ακόμη πιο κρίσιμο για μια μελλοντική μονάδα παραγωγής ενέργειας σύντηξης, θεωρητικά μπορούν απλώς να λειτουργούν και να λειτουργούν, ενώ τα tokamak πρέπει να σταματούν περιοδικά για να επαναφέρουν τα πηνία μαγνήτη τους.
Μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, το γερμανικό μηχάνημα του 1 δισεκατομμυρίου ευρώ, που ονομάζεται Wendelstein 7-X (W7-X), έχει ήδη «απόδοση που μοιάζει με tokamak», λέει ο φυσικός πλάσματος David Gates, αποδεικνύοντας ικανός στο να αποτρέπει τη διαφυγή σωματιδίων και θερμότητας. το υπερκαυτό αέριο. Εάν το W7-X μπορεί να πετύχει μεγάλες διαδρομές, «θα είναι ξεκάθαρα στο προβάδισμα», λέει. «Εκεί λάμπουν οι αστρικοί». Η θεωρητικός Josefine Proll του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Αϊντχόβεν είναι εξίσου ενθουσιώδης:«Ξαφνικά, οι αστρικοί επιστρέφουν στο παιχνίδι». Οι ενθαρρυντικές προοπτικές εμπνέουν μια ομάδα νεοφυών εταιρειών, συμπεριλαμβανομένης μιας για την οποία ο Γκέιτς εγκαταλείπει τώρα το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον, για να αναπτύξει τους δικούς τους stellarators.
Το W7-X λειτουργεί από το 2015 στο Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) στο Greifswald της Γερμανίας, αλλά μόνο σε σχετικά χαμηλά επίπεδα ισχύος και για μικρές διαδρομές. Τα τελευταία 3 χρόνια, οι δημιουργοί του W7-X το αφαίρεσαν και αντικατέστησαν όλους τους εσωτερικούς τοίχους και τα εξαρτήματα με υδρόψυκτες εκδόσεις, ανοίγοντας το δρόμο για πολύ μεγαλύτερες και πιο ζεστές διαδρομές. Σε μια συνεδρίαση του διοικητικού συμβουλίου του W7-X την περασμένη εβδομάδα, η ομάδα ανέφερε ότι το ανανεωμένο δοχείο πλάσματος δεν έχει διαρροές και είναι έτοιμο να ξεκινήσει. Αναμένεται να επανεκκινήσει αργότερα αυτό το μήνα, στο δρόμο του για να δείξει εάν μπορεί πραγματικά να μεταφέρει το πλάσμα σε συνθήκες που, σε μια μελλοντική συσκευή, θα πυροδοτήσουν τη σύντηξη.
Τόσο οι αστρικοί όσο και τα tokamaks δημιουργούν μαγνητικούς κλωβούς για αέριο σε περισσότερους από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, τόσο ζεστό που θα έλιωνε οποιοδήποτε μεταλλικό δοχείο. Η θέρμανση παρέχεται από μικροκύματα ή δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Οι εξωφρενικές θερμοκρασίες παράγουν ένα πλάσμα - ένα κυματιστό μίγμα διαχωρισμένων πυρήνων και ηλεκτρονίων - και αναγκάζουν τους πυρήνες να συγκρούονται μεταξύ τους με τέτοια δύναμη που συντήκονται, απελευθερώνοντας ενέργεια. Ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης θα τροφοδοτείται με ένα μείγμα των ισοτόπων υδρογόνου δευτερίου και τριτίου, τα οποία αντιδρούν πιο εύκολα. Ερευνητικά μηχανήματα όπως το W7-X που δεν προσπαθούν να παράγουν ενέργεια αποφεύγουν το ραδιενεργό τρίτιο και προσκολλώνται σε ασφαλέστερο, πιο άφθονο υδρογόνο ή δευτέριο.
Για να δημιουργήσουν τα μαγνητικά τους πεδία που περιορίζουν το πλάσμα, τα tokamaks και οι stellarators χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά πηνία που περιστρέφονται γύρω από το σκάφος και μέσα από την κεντρική τρύπα. Αλλά ένα τέτοιο πεδίο είναι ισχυρότερο πιο κοντά στην τρύπα παρά στην εξωτερική άκρη, με αποτέλεσμα το πλάσμα να παρασυρθεί στο τοίχωμα του αντιδραστήρα.
Οι Tokamaks εξημερώνουν την ολίσθηση κάνοντας το πλάσμα να ρέει γύρω από τον δακτύλιο. Αυτή η ροή δημιουργεί ένα άλλο μαγνητικό πεδίο, στρίβοντας το ιονισμένο αέριο σαν ζαχαροκάλαμο και σταθεροποιώντας το. Οι Stellarators χρησιμοποιούν μαγνητικά πηνία παράξενου σχήματος αντί για ροή πλάσματος για να παράγουν τη συστροφή. Το σχήμα tokamak έχει αποδειχθεί από καιρό πιο επιτυχημένο στη συγκράτηση του πλάσματος στη θέση του, αλλά από τη στιγμή που οι φυσικοί του πλάσματος είχαν υπερυπολογιστές αρκετά ισχυρούς, θα μπορούσαν να τροποποιήσουν τις πολύπλοκες γεωμετρίες των μαγνητών των αστρικών για να βελτιώσουν τον περιορισμό, μια διαδικασία που ονομάζεται βελτιστοποίηση.
Το W7-X είναι ο πρώτος μεγάλος, βελτιστοποιημένος αστεροειδής και περιέχει 50 παράξενα στριμμένα υπεραγώγιμα πηνία, το καθένα ζυγίζοντας 6 τόνους. Η κατασκευή του, που ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 1990, ήταν δαιδαλώδης, ολοκληρώθηκε με 10 χρόνια καθυστέρηση και κόστισε σχεδόν το διπλάσιο από τα 550 εκατομμύρια ευρώ που είχαν αρχικά προϋπολογιστεί.
Παρά την αναμονή, οι ερευνητές δεν έχουν απογοητευτεί. «Το μηχάνημα λειτούργησε αμέσως», λέει ο διευθυντής του W7-X, Thomas Klinger. «Είναι ένα πολύ εύκολο μηχάνημα. [Έκανε αυτό που του είπαμε να κάνει». Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα tokamaks, τα οποία είναι επιρρεπή σε "αστάθειες" - το πλάσμα που διογκώνεται ή ταλαντεύεται με απρόβλεπτους τρόπους - ή πιο βίαιες "διαταραχές", που συχνά συνδέονται με διακοπτόμενη ροή πλάσματος. Επειδή οι αστρικοί δεν βασίζονται στο ρεύμα πλάσματος, αυτό «αφαιρεί έναν ολόκληρο κλάδο» αστάθειας, λέει η θεωρητικός IPP Sophia Henneberg.
Στους πρώιμους αστεριστές, η γεωμετρία του μαγνητικού πεδίου έκανε μερικά πιο αργά κινούμενα σωματίδια να ακολουθήσουν τροχιές σε σχήμα μπανάνας μέχρι να συγκρούονται με άλλα σωματίδια και να εκτιναχτούν από το πλάσμα, εκλύοντας ενέργεια. Η ικανότητα του W7-X να καταστέλλει αυτό το αποτέλεσμα σημαίνει ότι "η βελτιστοποίησή του λειτούργησε όπως έπρεπε", λέει ο Gates.
Με την αφαίρεση αυτής της αχίλλειας πτέρνας, το W7-X χάνει ως επί το πλείστον θερμότητα μέσω άλλων μορφών αναταράξεων—μικρές δίνες που ωθούν τα σωματίδια προς τον τοίχο. Η προσομοίωση αναταράξεων απαιτεί σοβαρή υπολογιστική ισχύ, και οι θεωρητικοί μόλις πρόσφατα το αντιμετώπισαν. Η επερχόμενη καμπάνια του W7-X θα πρέπει να επικυρώσει τις προσομοιώσεις και να δοκιμάσει τρόπους για την καταπολέμηση των αναταράξεων.
Η καμπάνια θα πρέπει επίσης να επιδεικνύει την ικανότητα ενός stellarator να τρέχει συνεχώς, σε αντίθεση με την παλμική λειτουργία ενός tokamak. Το W7-X έχει ήδη λειτουργήσει για διαδρομές 100 δευτερολέπτων—μεγάλες σύμφωνα με τα πρότυπα tokamak—αλλά σε σχετικά χαμηλή ισχύ. Όχι μόνο τα εξαρτήματά του δεν ψύχθηκαν, αλλά τα συστήματα θέρμανσης μικροκυμάτων και σωματιδίων της συσκευής μπορούσαν να αποδώσουν μόνο 11,5 μεγαβάτ ισχύος. Η αναβάθμιση θα αυξήσει την ισχύ θέρμανσης κατά 60%. Η εκτέλεση του W7-X σε υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πυκνότητα πλάσματος και για μεγάλες διαδρομές θα είναι η πραγματική δοκιμή των δυνατοτήτων των αστρικών για την παραγωγή ισχύος σύντηξης. Ένας αρχικός στόχος, λέει ο Klinger, είναι να φτάσει η θερμοκρασία των ιόντων στους 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου για 100 δευτερόλεπτα. Αυτό θα έθετε το W7-X «μεταξύ των κορυφαίων μηχανών στον κόσμο», λέει. Στη συνέχεια, η ομάδα θα το πιέσει για περισσότερο, έως και 30 λεπτά. "Θα προχωρήσουμε βήμα προς βήμα, εξερευνώντας αχαρτογράφητη περιοχή", λέει.
Τα επιτεύγματα του W7-X ώθησαν τους επενδυτές επιχειρηματικών συμμετοχών να υποστηρίξουν αρκετές νεοφυείς επιχειρήσεις που αναπτύσσουν εμπορικούς stellarators παραγωγής ενέργειας. Πρώτη προτεραιότητα για τις νεοσύστατες επιχειρήσεις:Βρείτε έναν απλούστερο τρόπο για να φτιάξετε τους μαγνήτες.
Η Princeton Stellarators, που ιδρύθηκε φέτος από τον Γκέιτς και τους συνεργάτες του, έχει εξασφαλίσει 3 εκατομμύρια δολάρια και στοχεύει στην κατασκευή ενός αντιδραστήρα επίδειξης που θα παραιτηθεί από τα στριμμένα πηνία μαγνήτη του W7-X. Αντίθετα, θα βασίζεται σε ένα μωσαϊκό από περίπου 1000 μικροσκοπικά τετράγωνα πηνία κατασκευασμένα από υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας (HTS) στην εξωτερική επιφάνεια του δοχείου πλάσματος. Μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από κάθε πηνίο, οι χειριστές θα μπορούν να αλλάζουν το σχήμα του εφαρμοζόμενου πεδίου κατά βούληση. "Αποσύρει την πολυπλοκότητα από τα πηνία και την τοποθετεί στο σύστημα ελέγχου", λέει ο Gates. Η εταιρεία ελπίζει να αναπτύξει αρχικά έναν αντιδραστήρα που θα συντήξει απλώς φθηνό, άφθονο δευτέριο, για να παράγει όχι ενέργεια, αλλά νετρόνια για την κατασκευή ραδιοϊσοτόπων. Εάν είναι επιτυχής, η εταιρεία θα στοχεύσει στη συνέχεια σε έναν αντιδραστήρα παραγωγής ενέργειας.
Η Renaissance Fusion, με έδρα τη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, συγκέντρωσε 16 εκατομμύρια ευρώ και σχεδιάζει να επικαλύψει τμήματα του δοχείου πλάσματος σε ένα πολυστρωματικό HTS, σχηματίζοντας μια ομοιόμορφη επίστρωση. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ, οι μηχανικοί θα κάψουν ίχνη μέσα στον υπεραγωγό για να χαράξουν ένα περιστρεφόμενο σχέδιο πηνίων μαγνήτη. Στόχος τους είναι να δημιουργήσουν ένα τμήμα δοκιμής μήκους ενός μέτρου τα επόμενα 2 χρόνια και ένα πλήρες πρωτότυπο έως το 2027.
Μια τρίτη εταιρεία, η Type One Energy στο Μάντισον του Ουισκόνσιν, έλαβε χρηματοδότηση από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ για την ανάπτυξη καλωδίων HTS με αρκετή κάμψη για χρήση σε μαγνήτες αστεριών. Η εταιρεία θα σμιλεύει κομμάτια μετάλλου με μηχανές χαρακτικής ελεγχόμενες από υπολογιστή, χαράσσοντας κανάλια συστροφής στα οποία τυλίγεται το καλώδιο για να το μετατρέψει σε πηνίο. "Η προηγμένη τεχνολογία κατασκευής ανοίγει την πόρτα για τον αστερισμό", λέει ο συνιδρυτής David Anderson από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison.
Ο Άντερσον λέει ότι η επόμενη φάση της λειτουργίας του W7-X θα επιταχύνει την έκρηξη των προσπαθειών αστερισμού. «Με εκφορτίσεις μισής ώρας, είσαι ουσιαστικά σε σταθερή κατάσταση», λέει. "Αυτό είναι μεγάλη υπόθεση."
