Καυτά νέα:Οι ερευνητές του Fusion προτείνουν τροποποιήσεις σχεδίασης ITER

Οι επιστημονικοί σύμβουλοι του έργου του αντιδραστήρα σύντηξης ITER έχουν προτείνει αρκετές βασικές αλλαγές στο σχεδιασμό του που θα μπορούσαν να αυξήσουν τους τεχνικούς κινδύνους — αλλά και να εξομαλύνουν την πορεία προς την παραγωγή περίσσειας ενέργειας. Οι συστάσεις, που έγιναν την περασμένη εβδομάδα από τη Συμβουλευτική Επιτροπή Επιστήμης και Τεχνολογίας του ITER (STAC), θα πρέπει να εγκριθούν από το πλήρες συμβούλιο του ITER τον Νοέμβριο. Αλλά εάν εγκριθεί, όπως αναμενόταν, «η πιθανότητα εκπλήξεων αργότερα μειώνεται», λέει ο Alberto Loarte, επικεφαλής του τμήματος περιορισμού και μοντελοποίησης του ITER. "Ο κίνδυνος θα αποδώσει."

Το ITER, που κατασκευάζεται στη Γαλλία από μια διεθνή συνεργασία, στοχεύει να δείξει ότι η πυρηνική σύντηξη, η αντίδραση που τροφοδοτεί τον ήλιο, μπορεί να ελεγχθεί στη γη για την παραγωγή ενέργειας. Αλλά η επίτευξη αυτού του στόχου περιλαμβάνει τη θέρμανση του αερίου υδρογόνου σε περισσότερους από 150 εκατομμύρια°C, έτσι ώστε οι πυρήνες του υδρογόνου να συγκρούονται με αρκετή δύναμη για να συντηχθούν. Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές κατασκευάζουν ένα τεράστιο δοχείο σε σχήμα ντόνατ που ονομάζεται tokamak για να περιορίσει το ιονισμένο αέριο - ή πλάσμα - χρησιμοποιώντας εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία. Ο στόχος του ITER είναι να παρακινήσει το πλάσμα να παράγει 500 μεγαβάτ (MW) θερμότητας, 10 φορές την ισχύ των 50 MW που απαιτείται για τη θέρμανση του πλάσματος. αυτό το πολλαπλασιαστικό αποτέλεσμα είναι γνωστό ως κέρδος 10.

Η πιο σημαντική αλλαγή που αποφασίστηκε στη συνεδρίαση της STAC αφορά μια κατασκευή στη βάση του σκάφους tokamak που ονομάζεται εκτροπέας. Η κύρια λειτουργία του είναι να αφαιρεί το ήλιο που είναι το αέριο «καυσαερίων» της αντίδρασης σύντηξης. Ο εκτροπέας είναι το μόνο μέρος του δοχείου όπου το υπερκαυτό πλάσμα αγγίζει πραγματικά μια στερεή επιφάνεια, επομένως πρέπει να μπορεί να απορροφήσει τεράστιες ποσότητες θερμότητας, έως και 10 MW ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας.

Τα υπάρχοντα σχέδια προβλέπουν την κατασκευή του πρώτου εκτροπέα του ITER με ένα εξωτερικό στρώμα άνθρακα. Αυτή είναι η ασφαλής επιλογή:Ο άνθρακας είναι καλά αποδεδειγμένος στους εσωτερικούς χώρους του tokamak. αντέχει εύκολα τις θερμοκρασίες. και εάν κάποιο εκτοξευθεί στο πλάσμα, δεν επηρεάζει πολύ την απόδοση. Το πρόβλημα με τον άνθρακα, ωστόσο, είναι ότι αντιδρά ευτυχώς με το υδρογόνο, δεσμεύοντας άτομα στη δομή του. Αυτό δεν θα ήταν πρόβλημα κατά τις πρώτες φάσεις της λειτουργίας του ITER, όταν οι ερευνητές σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν απλό υδρογόνο ή ήλιο στη μηχανή για να κατανοήσουν πώς λειτουργεί. Αλλά μια επίστρωση άνθρακα θα μπορούσε να είναι ένα τεράστιο πρόβλημα σε μεταγενέστερες φάσεις, όταν οι ερευνητές σχεδιάζουν να στραφούν σε πραγματικό καύσιμο σύντηξης - ένα πιο αντιδραστικό μείγμα των ισοτόπων υδρογόνου δευτερίου και τριτίου. Το τρίτιο είναι ραδιενεργό και επομένως πρέπει να ελέγχεται προσεκτικά και να λαμβάνεται υπόψη. Οι πυρηνικοί ρυθμιστές δεν θα δέχονταν ποτέ ένα υλικό εκτροπής που απορροφά τρίτιο και έτσι καθιστά αδύνατο τον εντοπισμό.

Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, οι σχεδιαστές είχαν προτείνει τη λειτουργία του ITER για αρκετά χρόνια με τον εκτροπέα επικαλυμμένο με άνθρακα και στη συνέχεια τη μετάβαση σε έναν κατασκευασμένο από βολφράμιο. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε μέταλλο:3422°C. Αυτό θα πρέπει να είναι καλό για την αντοχή της θερμότητας που παράγεται κατά τη διάρκεια κανονικών, σταθερών λειτουργιών ITER. Αλλά οποιαδήποτε απροσδόκητη έκρηξη θερμότητας θα μπορούσε ενδεχομένως να λιώσει τον εκτροπέα και το βολφράμιο -σε αντίθεση με τον άνθρακα- δηλητηριάζει αμέσως το πλάσμα, διακόπτοντας τη σύντηξη. Επομένως, οι χειριστές του ITER θα πρέπει να λειτουργούν τον αντιδραστήρα πολύ πιο προσεκτικά με έναν εκτροπέα βολφραμίου, χωρίς να τον ωθούν στα όρια όπου το πλάσμα μπορεί να γίνει ασταθές.

Παρά αυτό το μειονέκτημα του βολφραμίου, η STAC συνέστησε να κατασκευαστεί το ITER με εκτροπέα βολφραμίου από την αρχή. «Δεν ήταν εύκολη απόφαση», λέει ο πρόεδρος της STAC Joaquín Sánchez, επικεφαλής του Εθνικού Εργαστηρίου Σύντηξης της Ισπανίας στη Μαδρίτη. Η απόφαση ελήφθη μετά από χρόνια έρευνας σε άλλα εργαστήρια tokamak, ιδιαίτερα στο Joint European Torus (JET) στο Culham στο Ηνωμένο Βασίλειο, το οποίο είναι το πλησιέστερο μηχάνημα στο ITER σε μέγεθος και σχεδιασμό. Πριν από αρκετά χρόνια, οι ερευνητές του JET επανατοποθέτησαν τον αντιδραστήρα με εκτροπέα βολφραμίου και επένδυση βηρυλλίου (όπως θα έχει το ITER). Μετά από ένα χρόνο δοκιμών, επιβεβαίωσαν ότι αυτός ο "τοίχος που μοιάζει με ITER" λειτούργησε αρκετά καλά ώστε να μην προκαλέσει προβλήματα στο ITER.

Αν και ορισμένοι ερευνητές σύντηξης πιστεύουν ότι θα ήταν ασφαλέστερο να ξεκινήσουν το ITER με έναν καλά κατανοητό εκτροπέα άνθρακα, επιτρέποντάς τους να ωθήσουν τον αντιδραστήρα στα άκρα σε αναζήτηση υψηλών επιδόσεων, η αρχή με το βολφράμιο έχει επίσης πλεονεκτήματα. Η αλλαγή των εκτροπέων είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που θα διαρκέσει πολλούς μήνες. Επιπλέον, μόλις ξεκινήσει η λειτουργία με καύσιμο δευτερίου-τριτίου, το εσωτερικό του σκάφους γίνεται ραδιενεργό (ή «ενεργοποιείται»), καθιστώντας πολύ πιο δύσκολη την τροποποίηση των εσωτερικών στοιχείων. «Αν ξεκινήσουμε με βολφράμιο, εξοικονομούμε το κόστος της αλλαγής», λέει ο Sánchez. "Γνωρίζουμε ότι το βολφράμιο θα είναι πιο δύσκολο, αλλά θα αρχίσουμε να μαθαίνουμε νωρίτερα στη μη ενεργοποιημένη φάση και εάν υπάρχει πρόβλημα, μπορούμε να στείλουμε άτομα μέσα για να το διορθώσουν."

Οι άλλες αλλαγές σχεδιασμού αφορούν δύο ξεχωριστά μαγνητικά πηνία που θα εισαχθούν στο εσωτερικό του δοχείου του αντιδραστήρα για να βελτιωθεί ο έλεγχος του πλάσματος. Οι κύριοι μαγνήτες του ITER που περιορίζουν το πλάσμα βρίσκονται έξω από το δοχείο και λειτουργούν σαν ένα αμβλύ όργανο. Πριν από περίπου 5 χρόνια, οι ερευνητές τόνισαν το γεγονός ότι οι χειριστές θα είχαν δυσκολία να διατηρήσουν σταθερή την κατακόρυφη θέση του πλάσματος και έτσι πρότειναν μερικά επιπλέον μαγνητικά πηνία στο εσωτερικό.

Εκτός από αυτά για την κατακόρυφη σταθερότητα, οι ερευνητές πρότειναν την εγκατάσταση ενός δεύτερου συνόλου εσωτερικών πηνίων για την καταπολέμηση ενός ανησυχητικού φαινομένου στο υπερκαυτό πλάσμα σύντηξης που ονομάζονται τρόποι εντοπισμού άκρων ή ELM. Τα ELM συμβαίνουν όταν συσσωρεύεται ενέργεια στο πλάσμα κατά τη σύντηξη και στη συνέχεια εκρήγνυται από την άκρη απρόβλεπτα, προκαλώντας δυνητικά ζημιά στην επένδυση ή τον εκτροπέα. Το δεύτερο σύνολο πηνίων αναπτύσσει ένα μαγνητικό πεδίο για να τραχύνει την επιφάνεια του πλάσματος έτσι ώστε να διαρρέει ενέργεια με σταθερό ρυθμό και όχι σε ακανόνιστες εκρήξεις.

Οτιδήποτε μέσα στο σκάφος υπόκειται σε ακραία θερμότητα, ραδιενέργεια και μαγνητικές δυνάμεις, έτσι οι ερευνητές έπρεπε να πείσουν το STAC ότι αυτά τα δύο σετ πηνίων θα μπορούσαν να γίνουν αρκετά ανθεκτικά για να επιβιώσουν. «Υπήρχε κάποια απροθυμία στη STAC και στον Οργανισμό ITER λόγω των τεχνικών ζητημάτων εγκατάστασης», λέει ο Loarte. Τα πειράματα σε άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο τους καθησύχασαν. "Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν ήταν πολύ θετικά", λέει.

Η STAC εξέτασε επίσης προσεκτικά το χρονοδιάγραμμα παράδοσης εξαρτημάτων για το ITER. Το αρχικό σχέδιο προέβλεπε τα πάντα—συστήματα θέρμανσης, όργανα, μετριασμός ELM—να τεθούν σε ισχύ όταν ολοκληρωθεί το ITER το 2020. Ωστόσο, οι καθυστερήσεις είχαν ως αποτέλεσμα ότι ορισμένα είδη θα φτάσουν αργότερα. "Χρειαζόμασταν να επαναλάβουμε το χρονοδιάγραμμα με μια λογική που να συνάδει με [την επίτευξη της λειτουργίας δευτερίου-τριτίου] πιο γρήγορα. Δεν ήταν συνεπής πριν και αυτό οδήγησε σε κριτική", λέει ο Loarte. "Τώρα πρέπει να κάνουμε το οργανωτικό κομμάτι, το οποίο δεν είναι απλό."