Ο μεγαλύτερος αντιδραστήρας σύντηξης στον κόσμο προσφέρει ελπίδα για καθαρή ενέργεια

Ο μεγαλύτερος αντιδραστήρας σύντηξης στον κόσμο προσφέρει ελπίδα για καθαρή ενέργεια

Ένας ισχυρός νέος αντιδραστήρας tokamak, κατασκευασμένος από χάλυβα, στοχεύει να επιτύχει επιτέλους το ιερό δισκοπότηρο της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργεί με σύντηξη.

Βαθιά στη γαλλική περιοχή της Προβηγκίας, που επιλέχθηκε για τις ευνοϊκές γεωλογικές, υδρολογικές και σεισμικές της συνθήκες, καθώς και για την πρόσβαση σε νερό και ηλεκτρισμό, βρίσκεται μια τεράστια εγκατάσταση 180-εκταρίων που στεγάζει τον Διεθνή Θερμοπυρηνικό Πειραματικό Αντιδραστήρα (ITER).

Οι παραδοσιακοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής μετατρέπουν τη θερμότητα από την καύση ορυκτών καυσίμων ή την πυρηνική σχάση σε ατμό, ο οποίος στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την περιστροφή στροβίλων που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Και οι δύο αυτές μέθοδοι, ενώ είναι αξιόπιστες πηγές ενέργειας, έχουν περιβαλλοντικές επιπτώσεις μέσω εκπομπών ή ραδιενεργών αποβλήτων.

Αλλά τι θα γινόταν αν υπήρχε τρόπος να παράγεται αυτή η θερμότητα χωρίς τα επιβλαβή υποπροϊόντα; Αυτό είναι το όνειρο της ενέργειας σύντηξης, ένα συνεχιζόμενο πείραμα για την παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας μέσω της ατομικής σύντηξης.

Πανομοιότυπη με τις διαδικασίες που τροφοδοτούν τον ήλιο μας, η σύντηξη συμβαίνει όταν δύο άτομα υδρογόνου συνθλίβονται μεταξύ τους και συντήκονται σε ένα μόνο άτομο ηλίου. Αυτό παράγει τεράστιες ποσότητες ενέργειας χωρίς την παραγωγή ραδιενεργών προϊόντων σχάσης.

Η δημιουργία αυτής της διαδικασίας παρουσιάζει μια σοβαρή πρόκληση μηχανικής, καθώς οι αντιδράσεις πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια σε έναν χώρο όπου παράγονται τεράστιες ποσότητες ενέργειας.

Η δύναμη ενός αστεριού σε ένα ατσάλι χτισμένο κλουβί

Στις εγκαταστάσεις του ITER, βρίσκεται σε εξέλιξη η κατασκευή του μεγαλύτερου αντιδραστήρα tokamak στον κόσμο. Στην καρδιά αυτής της πειραματικής μηχανής, η οποία βασίζεται σε ένα σοβιετικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του '60, βρίσκεται ένας θάλαμος κενού σε σχήμα δακτύλου.

Με βάρος 5.200 τόνους και όγκο 1.400 m³, ο θάλαμος κενού είναι μακράν ο μεγαλύτερος του είδους του, καθιστώντας ευκολότερο για τους φυσικούς που τον χειρίζονται να ελέγχουν τις αντιδράσεις που απαιτούνται για τη δημιουργία βιώσιμης ισχύος σύντηξης.

Τα πειράματα του ITER θα πραγματοποιηθούν μέσα σε αυτό το δοχείο κενού που είναι κατασκευασμένο από χάλυβα, το οποίο περιέχει τις αντιδράσεις σύντηξης και είναι ερμητικά σφραγισμένο, ενεργώντας ως το κύριο φράγμα περιορισμού ασφαλείας. Εδώ το καύσιμο υδρογόνου υπόκειται σε τεράστια θερμότητα και πίεση, μετατρέποντάς το σε καυτό, ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο γνωστό ως πλάσμα.

Αυτό το περιβάλλον κενού παρέχει θωράκιση από την ακτινοβολία και υποστηρίζει τη σταθερότητα του πλάσματος, ενώ τα συστήματα νερού ψύξης που κυκλοφορούν μεταξύ των διπλών χαλύβδινων τοιχωμάτων του αφαιρούν με ασφάλεια τη θερμότητα που παράγεται ενώ ο αντιδραστήρας είναι ενεργός. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας καθώς απαιτούνται θερμοκρασίες μεταξύ 150 και 300 εκατομμυρίων βαθμών για τη σύντηξη.

Η δύναμη των μαγνητικών πεδίων

Το σχήμα ντόνατ του εσωτερικού επιτρέπει στα σωματίδια πλάσματος στο εσωτερικό να κάνουν κύκλους συνεχώς χωρίς να αγγίζουν τους τοίχους. Αυτό το υπερκαυτό πλάσμα περιέχεται και ελέγχεται στον αντιδραστήρα tokamak από μαγνητικά πεδία που παράγονται από 10,{1}} τόνους υπεραγώγιμων μαγνητών.

Ικανός να παράγει ισχυρότερα πεδία από τους συμβατικούς μαγνήτες όταν διατηρούνται σε θερμοκρασίες -269 μοιρών, το ITER χρησιμοποιεί «υψηλής απόδοσης, εσωτερικά ψυχόμενους υπεραγωγούς», στους οποίους οι υπεραγώγιμοι κλώνοι ενώνονται μεταξύ τους και περιέχονται σε ένα δομικό χαλύβδινο περίβλημα.

Αυτό το μέσο παραγωγής μαγνητικών πεδίων είναι επίσης φθηνότερο και λιγότερο ενεργοβόρο από τα εναλλακτικά, καθιστώντας το τη μόνη βιώσιμη επιλογή για τα τεράστια συστήματα μαγνητών που απαιτούνται για την υποστήριξη της ισχύος σύντηξης.

Το δοχείο κενού και το υπεραγώγιμο σύστημα μαγνήτη του βρίσκονται όλα στον κρυοστάτη ITER, ο οποίος παρέχει χώρο κενού εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Με 16,000 m³, είναι ο μεγαλύτερος θάλαμος πίεσης υψηλής υποπίεσης από ανοξείδωτο χάλυβα που κατασκευάστηκε ποτέ.

Οι ακραίες διαφορές θερμοκρασίας που περιέχονται στον αντιδραστήρα καθιστούν το ανοξείδωτο χάλυβα ιδανική επιλογή. Με δυνατότητα διατήρησης της απόδοσης σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, η υψηλή ολκιμότητα και η σκληρότητα του χάλυβα το καθιστούν αναντικατάστατο μέρος του ITER.

Με το tokamak να αναμένεται να λειτουργήσει έως το 2025, οι φυσικοί της σύντηξης ελπίζουν ότι αυτό θα αλλάξει το παιχνίδι για την παραγωγή ενέργειας. Ενώ η προοπτική μιας σχεδόν απεριόριστης καθαρής ενέργειας παραμένει πέρα ​​από τον ορίζοντα, είναι σαφές ότι αν θέλουμε να επιτύχουμε εμπορική σύντηξη, θα είναι η διαρκής δύναμη του χάλυβα που θα μας επιτρέψει να την αξιοποιήσουμε.