Βλέποντας το φως: παρακολούθηση πειραμάτων σύντηξης Understand article

Μετάφραση από τον Λορέντζο Δημήτριο (Lorenzo Dimitrios). Το να ανακαλύψει κανείς τι συμβαίνει στον πυρήνα ενός πειράματος σύντηξης στους 100 εκατομύρια βαθμούς Κελσίου…

Ο αντιδραστήρας στον
οποίο εξελίσσεται το
πείραμα JET έχει σχήμα
ντόνατ

Η εικόνα προσφέρθηκε από
το Pink Sherbet Photography˙
πηγή εικόνας: Flickr

Το Joint European Torus, JET, είναι παγκοσμίως το μεγαλύτερο πείραμα πυρηνικής σύντηξης, λίγο έξω από την Οξφόρδη στο Ηνωμένο Βασίλειο. Όπως περιγράφηκε σε προηγούμενο άρθρο (Rüth, 2012), οι επιστήμονές μας αναπτύσσουν μια πηγή καθαρής ενέργειας για το μέλλον, που περιλαμβάνει τη σύντηξη ελαφριών ατόμων σε ένα αντιδραστήρα με σχήμα ντόνατ και μήκος σχεδόν 6 μέτρα.

Αυτό δεν έχει να κάνει με διάσπαση του ατόμου και δεν εμπλέκει τη χρήση ουρανίου – συνενώνουμε τα ισότοπα του υδρογόνου δευτέριο και τρίτιο στο βαρύτερο στοχείο ήλιο. Ο εξαναγκασμός των ατόμων σε σύντηξη απαιτεί ένα τεράστιο ποσό ενέργειας, ωστόσο η διαδικασία της σύντηξης απελευθερώνει ακόμα περισσότερη ενέργεια.

Το εσωτερικό του
αντιδραστήρα JET κατά τη
διάρκεια ενός παλμού
υψηλής ισχύος. Ο πυρήνας
του πλάσματος είναι
διαφανής γιατί τα ισότοπα
υδρογόνου είναι τελείως
ιονισμένα, έτσι δεν
συμβαίνουν μεταπτώσεις
ηλεκτρονίων για να δώσουν
ορατή ακτινοβολία – εκτός
από μια μικρή ορατή
τουλίπα ψυχρότερου
πλάσματος εσωτερικά στο
κάτω άκρο

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του EFDA-JET

Μέσα στο πείραμα, το καύσιμο (συνήθως αποκλειστικά δευτέριο, το μείγμα με το ραδιενεργό τρίτιο χρησιμοποιείται μόνο περιστασιακά) θερμαίνεται μέχρι τα ηλεκτρόνια να αποκολληθούν από τους πυρήνες τους. Αυτό το ιονισμένο αέριο καλείται πλάσμα και αποτελεί το ιδανικό περιβάλλον για τις κρούσεις μεταξύ των πυρήνων που απαιτούνται για την σύντηξη. Το πλάσμα είναι δέκα φορές θερμότερο από τον πυρήνα του Ηλίου και διατρέχει τον αντιδραστήρα περιστρεφόμενο και ταλαντούμενο μέσα σε ένα περίπλοκο μαγνητικό κλωβό σχεδιασμένο από τους επιστήμονες που ελέγχουν το μηχάνημα.

Η δημιουργία τόσο θερμής μάζας είναι ένα μεγάλο επίτευγμα, αλλά το να τη διατηρήσεις περιορισμένη για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε να επιτευχθεί ένας σημαντικός αριθμός αντιδράσεων σύντηξης αποτελεί ακόμα μεγαλύτερη πρόκληση – τόσο εξαιτίας της εξαιρετικά ταραχώδους φύσης του τόσο θερμού πλάσματος, όσο και εξαιτίας της τάσης του να μαζεύει προσμίξεις από τα εξαρτήματα μέσα στο δοχείο. Για το λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί εξελιγμένοι μηχανισμοί ελέγχου για την παρακολούθηση κάθε όψης του πλάσματος κατά τη λειτουργία, για τη ρύθμισή του ώστε να διατηρείται σε σταθερή κατάσταση και καθαρή μορφή όπου είναι αυτό δυνατό, ή για τον τερματισμό του αν αυτό γίνει υπερβολικά ταραχώδες (δες EIROforum, 2012).

Πως όμως γνωρίζουμε τι συμβαίνει μέσα σε αυτό το σφραγισμένο θάλαμο στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου; Οποιαδήποτε συσκευή μέτρησης και να επιχειρούσατε να τοποθετήσετε μέσα στο πλάσμα θα καταστρεφόταν – θα εξαχνωνόταν σε πλάσμα μέσα σε δευτερόλεπτα. Ακόμα και το να κοιτάξετε από το τα σφραγισμένα παράθυρα του δοχείου δίνει λιγότερες πληροφορίες από αυτό που θα αναμένατε, καθώς το θερμό πλάσμα είναι σχεδόν διαφανές. Και αυτό γιατί το κέντρο του πλάσματος είναι τόσο θερμό ώστε όλα τα ηλεκτρόνια έχουν απομακρυνθεί από τους πυρήνες τους, έτσι καμία μετάπτωση ηλεκτρονίων – η πηγή του ορατού φωτός – δεν είναι δυνατή.

Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν πολλοί άλλοι τρόποι για να ανακαλύψουμε τι συμβαίνει μέσα στο πλάσμα. Η κατανόησή μας για αυτό το συνονθύλευμα σωματιδίων υψηλής ταχύτητας προέρχεται από περίπου εκατό διαγνωστικά συστήματα: κάμερες, αισθητήρες, ανιχνευτές, lasers, δέσμες ιόντων και πηνία, αναφέροντας κάποια από αυτά. Θα συζητήσουμε για μερικά από τα συστήματα αυτά στο παρόν άρθρο.

Μια απλοποιημένη εικόνα του πειράματος JET. A: ένα σχέδιο τομής που απεικονίζει τον αντιδραστήρα JET με σχήμα ντόνατ. B and C: οι οριζόντιες και κάθετες βολομετρικές διατάξεις φαίνονται με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές υποδηλώνουν τις ευθείες οπτικής επαφής των βολομέτρων. D: το οριζόντιο σύστημα ανίχνευσης ακτίνων-γάμμα που φαίνεται με μπλε χρώμα, διοχετεύει την ακτινοβολία μακριά από το θάλαμο μέσα από τους παχείς περιβάλλοντες τσιμεντένιους τοίχους στο σύστημα του ανιχνευτή, που βρίσκεται σε ξεχωριστό χώρο. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του EFDA-JET

Έχουμε σύντηξη! Ακτίνες γάμμα

Το κύριο προιόν μιας αντίδρασης σύντηξης είναι νετρόνια υψηλής ταχύτητας. Πέρα από την μέτρηση του αριθμού των νετρονίων, πάντα διασταυρώνουμε τον αριθμό των αντιδράσεων σύντηξης με μια δεύτερη μέτρηση, τον αριθμό των ακτίνων γάμμα.

Ο ανιχνευτής ακτίνων
γάμμα του JET λειτουργεί με
παρόμοιο τρόπο με ένα
μετρητή Geiger, που
φαίνεται εδώ. Ένας
μετρητής Geiger
χρησιμοποιείται για τη
μέτρηση διαφόρων μορφών
ιονίζουσας ακτινοβολίας,
συμπεριλαμβανομένων των
ακτίνων γάμμα

Η εικόνα προσφέρθηκε από
τον Radioactive Rosca˙ πηγή
εικόνας: Flickr

Πέρα από την κύρια αντίδραση μεταξύ δευτερίου και τριτίου, κατά τη διάρκεια της σύντηξης, πραγματοποιούνται και πολλές άλλες αντιδράσεις σε μικρότερη αναλογία μέσα στο θερμό πλάσμα, μερικές από τις οποίες αφήνουν τους πυρήνες σε διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις. Όπως τα ηλεκτρόνια στις διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις, έτσι και αυτοί οι πυρήνες απελευθερώνουν την ενέργειά τους με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επειδή τα ενεργειακά επίπεδα των καταστάσεων των πυρήνων είναι πολύ υψηλά, ελευθερώνονται ακτίνες γάμμα σε αντίθεση με το ορατό ή υπεριώδες φως που εκπέμπεται από τα ηλεκτρόνια.

Οι ακτίνες γάμμα διαπερνούν τις περισσότερες κάμερες, οπότε απαιτείται ένα εξειδικευμένο σύστημα ανίχνευσης. Το πείραμα γίνεται σε χώρο που περιβάλλεται από τσιμεντένια τοιχώματα πάχους 2 μέτρων για τον περιορισμό της ακτινοβολίας, ωστόσο ένας μακρύς σωλήνας οδηγεί ένα μέρος της ακτινοβολίας διαμέσου των τοιχωμάτων στο εργαστήριο ανίχνευσης. Εδώ, χρησιμοποιούμε ένα σύστημα παρόμοιο με ένα μετρητή Geiger, το οποίο δημιουργεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα όταν ακτίνες γάμμα διέρχονται από ένα μικρό θάλαμο, ιονίζοντας το αέριο που βρίσκεται μέσα. Μετράμε τους ηλεκτρικούς παλμούς από δύο συστήματα – το ένα με κάθετη άποψη του θαλάμου και το άλλο με οριζόντια – τα οποία μας πληροφορούν για τον αριθμό των αντιδράσεων σύντηξης και τα σημεία του θαλάμου που αυτές έχουν πραγματοποιηθεί.

Μετρώντας τη διαρροή ενέργειας: βολόμετρο

Ένα από τα κλειδιά για ένα επιτυχημένο πείραμα σύντηξης είναι ο περιορισμός – η αποτροπή της ενέργειας από το να ξεφύγει από το πλάσμα. Ακόμα και αν περιορίσουμε τα σωματίδια, σημαντικά ποσά ενέργειας μπορούν να διαφύγουν από το πλάσμα με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Παρ’ όλο που φαίνεται διαφανές, το πλάσμα εκπέμπει πολλή ακτινοβολία την οποία εμείς δεν μπορούμε να δούμε. Για να μετρήσουμε αυτή τη διαρροή ακτινοβολίας, χρειαζόμαστε μια συσκευή που, σε αντίθεση με τα μάτια μας, μπορεί να εντοπίσει την ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος. Χρησιμοποιούμε ένα βολόμετρο, που είναι εκπληκτικά απλό – μόλις μια μικροσκοπική μεταλλική λωρίδα. Οποιαδήποτε μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας – π.χ. ραδιοκύματα, υπεριώδης ακτινοβολία ή ακτίνες γάμμα – θερμαίνει το μέταλλο, και μεταβάλλει την αντίστασή του, η οποία μετράται εύκολα..

Μια από τις κύριες αιτίες της ακτινοβολίας είναι οι προσμίξεις στο πλάσμα, οι περισσότερες από τις οποίες προέρχονται από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα. Είναι σημαντικό να βρεθεί που καταλήγουν οι προσμίξεις – στα άκρα του πλάσματος δεν είναι μεγάλο πρόβλημα, ωστόσο οι προσμίξεις στο θερμό πυρήνα θα μειώσουν την ενέργεια από την πιο σημαντική περιοχή.

Μαγνητικά πεδία
περιορίζουν το πάρα πολύ
θερμό πλάσμα μακριά από
τα τοιχώματα του
αντιδραστήρα. Τα πεδία
αυτά είναι κατά πολλές
φορές μεγαλύτερα από το
πεδίο αυτού του
ραβδόμορφου μαγνήτη,
που γίνεται ορατό χάρη
στα ρινίσματα σιδήρου

Η εικόνα προσφέρθηκε
από τον daynoir˙ πηγή
εικόνας: Flickr

Ένα και μόνο βολόμετρο δεν είναι σε θέση να ξεχωρίσει την ακτινοβολία που προέρχεται από τον πυρήνα ή τα άκρα, με τη χρήση όμως αρκετών από αυτά, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένας λεπτομερής χάρτης τριών διαστάσεων των πηγών ακτινοβολίας. Αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση καθενός βολομέτρου πίσω από μικρές οπές ώστε να μειωθεί το οπτικό πεδίο τους. Μετά, τα αποτελέσματα από όλες τις διαφορετικές απόψεις –  κάποια από τη μέση, κάποια από το άκρο του πλάσματος, κ.ο.κ. – συνδυάζονται με έξυπνη επεξεργασία για τη δημιουργία μιας τρισδιάστατης εικόνας. Αυτή η κατασκευή μιας τρισδιάστατης εικόνας από πολλές μεμονωμένες μετρήσεις είναι μια παρόμοια τεχνική με αυτή που χρησιμοποιείται στις αξονικές τομογραφίες, στις οποίες μια τρισδιάστατη εικόνα συλλέγεται από πολλές ακτινογραφίες λαμβανόμενες από διαφορετικές γωνίες.

Προσέχοντας για θερμά σημεία: κάμερες

Μια υπέρυθρη άποψη του
αντιδραστήρα JET κατά τη
διάρκεια ενός πειράματος,
όπου φαίνονται τα θερμά
σημεία εκεί που το πλάσμα
έρχεται σε επαφή με το
τοίχωμα. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από
το EFDA-JET

Φαίνεται εκπληκτικό το ότι πλάσμα σε θερμοκρασία πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου μπορεί να περιοριστεί μέσα σε ένα μεταλλικό θάλαμο. Εν τούτοις τα τεράστια μαγνητικά πεδία που δημιουργούν τα πηνία γύρω από το JET καταφέρνουν ως επί το πλείστον να συγκρατήσουν το πλάσμα μακριά από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, που πρόσφατα ανακαινίστηκε με πλακίδια από βηρύλλιο που έχουν σημείο τήξεως μόνο 1278 °C. Ένα από τα κλειδιά της επιτυχίας αυτής της διάταξης είναι μια συστοιχία από βιντεοκάμερες που χρησιμοποιείται για να εξασφαλιστεί ότι το πλάσμα δεν πλησιάζει πολύ κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου.

Η ένδειξη ότι το πλάσμα έχει πλησιάσει πολύ είναι ένα θερμό σημείο στο τοίχωμα, που εκπέμπει αυτό που είναι γνωστό ως ακτινοβολία μέλανος σώματος. Για το ανθρώπινο μάτι, ένα θερμό σημείο θα φαινόταν κόκκινο γύρω στους 500 °C, ενώ θα φαινόταν πορτοκαλί στους 1000 °C. Ωστόσο, μπορεί να ανιχνευτεί πολύ νωρίτερα, για το λόγο ότι το θερμό σημείο θα εκπέμψει υπέρυθρη ακτινοβολία μόλις γίνει πιο θερμό από το περιβάλλον του.

Επειδή οι περισσότερες κάμερες μπορούν να εντοπίσουν την υπέρυθρη ακτινοβολία (με τη χρήση της ρύθμισης που συχνά καλείται νυχτερινή όραση), έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα προστασίας που χρησιμοποιεί κάμερες για τον εντοπισμό των υπέρυθρων θερμών σημείων. Αν κάποιο θερμό σημείο αρχίζει να εμφανίζεται, το πλάσμα μπορεί να ρυθμιστεί – για παράδειγμα απομακρύνοντας το μαγνητικό πεδίο μακριά από το τοίχωμα ή μειώνοντας την ισχύ ώστε να μειωθεί η θερμοκρασία – προτού δημιουργηθεί κάποια βλάβη.

Επάνω: Σε αντίθεση με τα
μάτια σας, μια ψηφιακή
κάμερα θα καταγράψει την
υπέρυθρη ακτινοβολία από
ένα τηλεχειριστήριο
τηλεόρασης.
Κάτω: Παρ’ όλο που το
ορατό φως από ένα φακό
απορροφάται από την κόκα
κόλα, η υπέρυθρη
ακτινοβολία Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από το
EFDA-JET

Υποστηρικτική Δραστηριότητα: οπτικοποιώντας το υπέρυθρο φως

Οι περισσότερες κάμερες είναι ευαίσθητες στο υπέρυθρο φως – ακόμα και αυτές στα κινητά τηλέφωνα. Πατήστε το κουμπί από ένα τηλεκοντρόλ μπροστά από μια κάμερα και θα δείτε την υπέρυθρη ακτινοβολία να δίνει το κατάλληλο κωδικοποιημένο σήμα για την τηλεόραση.

Στη συνέχεια, δείξτε ότι το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καθορίζει το βαθμό στον οποίο μπορεί να διαπεράσει ένα υλικό – αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρειαζόμαστε διαφορετικού τύπου ανιχνευτές για την παρακολούθηση των διαφορετικών ειδών ακτινοβολίας που εκπέμπονται από τον αντιδραστήρα. Φωτίστε με ένα φακό ένα ποτήρι κόκα κόλα: το ορατό φως από το φακό απορροφάται από το ποτό, το οποίο ακόμα φαίνεται καφέ. Μετά, πατήστε το κουμπί από ένα τηλεκοντρόλ μπροστά από την κόκα κόλα ενώ την ίδια στιγμή κοιτάτε στην κάμερα: το υπέρυθρο φως ταξιδεύει μέσα από το υγρό λίγο πολύ ανεπηρέαστο.

 

Περισσότερα για το EFDA-JET

Ως κοινοπραξία, το Joint European Torus (JET)w1 χρησιμοποιείται συλλογικά από περισσότερα από 40 Ευρωπαικά εργαστήρια σύντηξης. H European Fusion Development Agreement (EFDA) παρέχει την πλατφόρμα για την εκμετάλλευση του JET, και πάνω από 350 επιστήμονες και μηχανικοί από όλη την Ευρώπη συμβάλλουν αυτή τη στιγμή στο πρόγραμμα JET.

Το EFDA-JET είναι μέλος του EIROforumw2, του εκδότη του Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Ο Δρ Phil Dooley είναι ο αρμόδιος υπάλληλος για τον τύπο και την εκπαίδευση στο EFDA-JET. Γεννήθηκε στην Καμπέρα της Αυστραλίας, και ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στη φυσική των laser στο Εθνικό Πανεπιστήμιο Αυστραλίας. Ως διαφυγή από τον ακαδημαικό χώρο αποδέχθηκε μια θέση στον τομέα της Τεχνολογίας Πληροφοριών στην Rarotonga στις νήσους Cook, για 18 μήνες, προτού επιστρέψει στην Αυστραλία και εργαστεί στην εκπαίδευση χρήσης λογισμικού. Η αγάπη του για την επιστήμη τον οδήγησε πίσω στη φυσική, αυτή τη φορά στον τομέα της επικοινωνίας, ως υπεύθυνος του προγράμματος  προβολής στα σχολεία στο Πανεπιστήμιο του Σίδνευ. Τον Οκτώβρη του 2011 ο Phil έγινε μέλος της ομάδας του EFDA-JET στο Oxfordshire στο Ηνωμένο Βασίλειο.


Review

Συνεχίζοντας από ένα προηγούμενο άρθρο (Rüth, 2012), το άρθρο αυτό δίνει μια καθαρή εικόνα για κάποιο από τον πλούτο των ανιχνευτών που χρησιμοποιούνται στη έρευνα της πυρηνκής σύντηξης. Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν το άρθρο αυτό για να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να επιτηρηθεί η σύντηξη, και τις δυσκολίες και προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες όταν εργάζονται με τόσο υψηλές θερμοκρασίες.
Κατάλληλες ερωτήσεις για κατανόηση και συζήτηση περιλαμβάνουν:

  • Γιατί είναι απαραίτητο ένα μεγάλο ποσό ενέργειας για να πραγματοποιηθεί η σύντηξη;
  • Τί είδους υλικό πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τα τοιχώματα του θαλάμου; Για ποιο λόγο;
  • Ποιες συσκευές χρησιμοποιούνται για να παρακολουθούμε τι συμβαίνει μέσα στο πλάσμα;
  • Με ποιον τρόπο περιορίζεται το πλάσμα μέσα από τα τοιχώματα και κρατείται σε ασφαλή απόσταση από αυτά;
  • Πως μπορεί να ανιχνευθεί η διαρροή ενέργειας;

Η συζήτηση με μαθητές μπορεί στη συνέχεια να επεκταθεί θίγοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, τη βιωσιμότητα και τη σπουδαιότητα τέτοιων πειραμάτων.


Catherine Cutajar, Μάλτα




License

CC-BY-NC-ND