Η καθημερινή επιστήμη της σύντηξης Understand article

Author(s): Karl Tischler, Gieljan de Vries
Translator(s): Σεβαστή Μαλάμου

Εξερευνήστε την καθημερινή επιστήμη πίσω από την αναζήτηση αξιοποίησης της ενέργειας σύντηξης – της ενέργειας που τροφοδοτεί τα αστέρια – με έναν ασφαλή τρόπο εδώ στη Γη.

Η αναζήτηση σχετικά με την ενέργεια σύντηξης, μια δυνητικά βιώσιμη και άφθονη πηγή ενέργειας, έχει υπάρξει έως τώρα μια απαιτητική διαδρομή, εξαιτίας της σύνθετης τεχνολογίας που απαιτείται για την εκμετάλλευση της ενέργειας των αστέρων. Παρόλα αυτά, μερικές από τις βασικές έννοιες της σύντηξης είναι ανάλογες με γνωστά πράγματα που βλέπουμε στα σπίτια μας, στους δρόμους και στη φύση.

Η ενέργεια σύντηξης είναι μια μορφή ενέργειας που παράγεται από τη συνένωση ατόμων μεταξύ τους. Αυτή είναι η ίδια διαδικασία που τροφοδοτεί τον ήλιο και άλλους αστέρες.

Η σύντηξη του δευτερίου (²H) με το τρίτιο (³H) δημιουργεί ήλιο-4 και ένα νετρόνιο, και απελευθερώνει 17.59 Μεγαηλεκτρονιοβόλτ (MeV) ως κινητική ενέργεια των προϊόντων. Αντίστοιχη ποσότητα μάζας εξαφανίζεται, σε συμφωνία με την E=mc² (η ενέργεια ισούται με τη μάζα επί την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο).
*Εικόνα: Wykis/Wikimedia, Public Domain*

Επιστήμονες σε όλον τον κόσμο εργάζονται για να αναπτύξουν έναν τρόπο να τιθασεύσουν αυτή την ενέργεια στη Γη. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες μεθόδους για την επίτευξη αυτή, είναι μέσω της χρήσης μιας συσκευής που λέγεται “tokamak”.

Τα tokamak

Το tokamak είναι μια μηχανή στην οποία μια μικρή ποσότητα αερίου υδρογόνου θερμαίνεται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, στην οποία τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τα άτομα. Αυτό το μίγμα φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται «πλάσμα». Το πλάσμα αποτελείται από πυρήνες υδρογόνου, μερικοί από τους οποίους συγχωνεύονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ήλιο, απελευθερώνοντας ένα μεγάλο ποσό ενέργειας κατά τη διαδικασία. Ο στόχος του tokamak είναι να δημιουργήσει τις συνθήκες ώστε αυτή η αντίδραση σύντηξης να λάβει χώρα με ένα συνεχή τρόπο, και να παράγει ένα σημαντικό ποσό ενέργειας, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει κατοικίες και πόλεις στο μέλλον.

Το tokamak, το οποίο προφέρεται toe-ka-mak, είναι ένας όρος που μπορεί να ακούγεται σαν να είναι βγαλμένος από ένα μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας, αλλά είναι στην πραγματικότητα μια τεχνολογία του πραγματικού κόσμου που οι επιστήμονες χρησιμοποιούν για να ξεκλειδώσουν τη δύναμη των άστρων και να δημιουργήσουν μια νέα πηγή ενέργειας εδώ στη Γη. Ένα tokamak, είναι τοροειδούς σχήματος, που σημαίνει ότι είναι κυκλικό με μια τρύπα στη μέση. Με άλλα λόγια, είναι μία μεγάλη συσκευή σε σχήμα ντόνατ!

Μια απεικόνιση του JET tokamak που χρησιμοποιείται από τους ερευνητές του EUROfusion
*Εικόνα:* *EUROfusion*, *CC BY 4.0*

Ιστορικό Σύντηξης

Μια από τις πιο γνωστές μηχανές tokamak είναι ο Κοινός Ευρωπαϊκός Τόρος, Joint European Torus (JET), που βρίσκεται στο Culham του Ηνωμένου Βασιλείου, και χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την έρευνα του EUROfusion. Το JET είναι το μεγαλύτερο tokamak στον κόσμο, και έχει συμβάλει καθοριστικά στην κατανόησή μας σχετικά με την ενέργεια σύντηξης. Από όλα τα tokamak που είναι σήμερα σε λειτουργία, μόνο το JET tokamak μπορεί να χρησιμοποιήσει δευτέριο (2H) και τρίτιο (3H) ως καύσιμα. Αυτό είναι το καύσιμο που προορίζεται για όλα σχεδόν τα μελλοντικά σχέδια των σταθμών παραγωγής ενέργειας από σύντηξη πρώτης γενιάς. Το δευτέριο είναι διαθέσιμο σε μεγάλες ποσότητες στο θαλασσινό νερό, ενώ το τρίτιο μπορεί να δημιουργηθεί από το άφθονο μέταλλο λίθιο. Με το δευτέριο και το τρίτιο, οι ερευνητές του EUROfusion πέτυχαν την υψηλότερη ενέργεια και ισχύ σύντηξης που παρήχθη ποτέ από ένα tokamak στο JET..

Ισότοπα

Ένα ισότοπο είναι σαν ένας μυστικός πράκτορας ανάμεσα στα άτομα. Τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου στοιχείου (π.χ. υδρογόνο, άνθρακας) αλλά με διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, που τους δίνει τις ίδιες χημικές ιδιότητες, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων, που τους δίνει διαφορετικές φυσικές ιδιότητες.

Έλεγχος του πλάσματος

Το tokamak είναι ένα πολύπλοκο μηχάνημα, αλλά πολλές από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιεί μπορούν να βρεθούν στην καθημερινή επιστήμη. Για παράδειγμα, το πλάσμα στο tokamak είναι παρόμοιο με τον κεραυνό που παρατηρείται κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας ή το θερμό αέριο σε έναν σωλήνα φθορισμού.

Ένας λαμπτήρας φθορισμού είναι ένα καθημερινό παράδειγμα πλάσματος. Ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω του σωλήνα σε μια εκκένωση τόξου χαμηλής πίεσης. Τα ηλεκτρόνια συγκρούονται και ιονίζουν άτομα ευγενούς αερίου μέσα στον σωλήνα και γύρω από το νήμα για να σχηματίσουν πλάσμα.
*Εικόνα:* *Dmitry G/Wikimedia*, *CC BY-SA 3.0*

Το πλάσμα αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένους πυρήνες. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια μπορούν να συγκρατηθούν μέσα στον θάλαμο κενού του tokamak, χωρίς να αγγίζουν τα τοιχώματα, χάρη στα ισχυρά μαγνητικά πεδία. Μέσα στο tokamak, τα σωματίδια του πλάσματος θερμαίνονται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, ως και 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Αυτό είναι πολύ πιο θερμό από τον πυρήνα του Ήλιου, ο οποίος εκτιμάται ότι είναι περίπου 15 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου.

Εσωτερική όψη του JET tokamak σε υπέρθεση με μια εικόνα πλάσματος που έχει ληφθεί με μια βιντεοκάμερα ορατού φάσματος.
*Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του* *EUROfusion*

Το σύστημα μαγνητικού περιορισμού στο tokamak είναι παρόμοιο με τις αρχές που χρησιμοποιούνται σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Ένας ηλεκτρικός κινητήρας χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο για να δημιουργήσει κίνηση, και το tokamak χρησιμοποιεί παρόμοια αρχή για να συγκρατήσει το πλάσμα στη σωστή θέση. Οι μαγνήτες δημιουργούν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει το πλάσμα, παγιδεύοντας το, στο κέντρο του tokamak. Τα μελλοντικά tokamak θα χρησιμοποιούν υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από ειδικά υλικά που μπορούν να άγουν τον ηλεκτρισμό, χωρίς να χάνουν ενέργεια.

Σχηματικό ενός tokamak: τα μαγνητικά πηνία (μπλε και γκρι) χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν τη σύντηξη πλάσματος (ροζ)
*Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του* *EUROfusion*

Θέρμανση

Μόλις το πλάσμα παγιδευτεί σε έναν μαγνητικό κλωβό, ήρθε η ώρα να ξεκινήσει η θέρμανσή του. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό, είναι χρησιμοποιώντας μικροκύματα, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στον φούρνο μικροκυμάτων της κουζίνας σας. Παρόλα αυτά, τα μικροκύματα στο tokamak έχουν πολύ μεγαλύτερη συχνότητα και ισχύ από αυτά που υπάρχουν στον φούρνο μικροκυμάτων της κουζίνας σας. Και τα δύο χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως τα ραδιοκύματα, αλλά με υψηλότερη συχνότητα/μικρότερο μήκος κύματος. Μια ιδιότητα αυτών των κυμάτων είναι η ικανότητά τους, να κάνουν τα σωματίδια να κινούνται, έτσι το πλάσμα θερμαίνεται, κάνοντας τα σωματίδια να κινούνται πιο γρήγορα και να συγκρούονται μεταξύ τους με μεγάλη δύναμη, γεγονός που καθιστά την αντίδραση σύντηξης πιο πιθανό να συμβεί. Αυτό είναι παρόμοιο με τη θέρμανση φαγητού σε ένα φούρνο μικροκυμάτων στην κουζίνα.

Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην ανάπτυξη ενέργειας σύντηξης, είναι η επίτευξη μιας παρατεταμένης αντίδρασης σύντηξης. Οι επιστήμονες πρέπει να βεβαιωθούν ότι το πλάσμα είναι αρκετά θερμό και το μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό, ώστε να κρατήσει το πλάσμα περιορισμένο στο tokamak για αρκετό χρόνο, για να παραχθεί μια σημαντική ποσότητα ενέργειας. Οι ερευνητές του EUROfusion στο JET έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο σε αυτόν τον τομέα, και έχουν καταφέρει συνεχείς αντιδράσεις σύντηξης για αρκετά δευτερόλεπτα κάθε φορά. Τα μελλοντικά tokamak, όπως η συσκευή του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα (International Thermonuclear Experimental Reactor –ITER), έχουν σχεδιαστεί για τη δημιουργία υψηλής ενέργειας πλάσματος για δεκαπέντε ως εξήντα λεπτά τη φορά.

Κοινός Ευρωπαϊκός Τόρος

Το JET, ο Κοινός Ευρωπαϊκός Τόρος (Joint European Torus), είναι ένα παλιό αλλά ισχυρό μηχάνημα που υπήρξε βασικός παράγοντας που ενίσχυσε την κατανόησή μας στην ενέργεια σύντηξης. Όμως, όπως κάθε τεχνολογία, δεν είναι τέλεια. Το JET χρησιμοποιεί μαγνήτες που δεν είναι υπεραγώγιμοι, που σημαίνει ότι θερμαίνονται γρήγορα, και με υψηλής ενέργειας πλάσμα, οι μαγνήτες μπορούν να λειτουργήσουν μόνο για περίπου πέντε δευτερόλεπτα. Αλλά μην ανησυχείτε, οι επιστήμονες εργάζονται σε νέες και βελτιωμένες εκδόσεις του tokamak και έχουν καταλήξει σε μια αλλαγή του παιχνιδιού: στους υπεραγώγιμους μαγνήτες. Αυτοί οι ειδικοί μαγνήτες μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια ενέργειας, και κυρίως, χωρίς να θερμαίνονται. Αυτό σημαίνει ότι τα μελλοντικά tokamak με υπεραγώγιμους μαγνήτες δεν θα αντιμετωπίζουν τους ίδιους περιορισμούς με το JET και θα μπορούν να λειτουργούν για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στο να κάνουμε πραγματικότητα την ενέργεια σύντηξης.

Διατηρώντας την ψύξη

Μια άλλη σημαντική πτυχή του tokamak είναι το σύστημα ψύξης. Ένα tokamak όπως το JET παράγει ένα μεγάλο ποσό θερμότητας, το οποίο πρέπει να αφαιρεθεί για να αποτραπεί βλάβη στο μηχάνημα. Το JET tokamak χρησιμοποιεί κατά κύριο λόγο αδρανειακή ψύξη, αλλά έχει επίσης ένα περιορισμένο σύστημα υδρόψυξης για την αφαίρεση της θερμότητας από τον εκτροπέα του, το οποίο είναι παρόμοιο με τα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται σήμερα στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Στο μέλλον, ο στόχος είναι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης να χρησιμοποιούν τη θερμότητα που παράγεται από τις αντιδράσεις σύντηξης για τη λειτουργία ατμοστροβίλων και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Θα μετατρέψουν τη διαδικασία που τροφοδοτεί τα άστρα σε έναν τρόπο για να παράγουμε καθαρή ηλεκτρική ενέργεια εδώ στη Γη.

Καθημερινή επιστήμη στην τεχνολογία tokamak

Το tokamak είναι ένα πολύπλοκο μηχάνημα που χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό τεχνολογιών για τον περιορισμό και τη θέρμανση του πλάσματος, και δημιουργεί συνθήκες για τη διεξαγωγή αντιδράσεων σύντηξης. Πολλές από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στο JET tokamak, μπορούν να συσχετιστούν με την καθημερινή επιστήμη, όπως το πλάσμα που φαίνεται ως κεραυνός στις καταιγίδες, τις αρχές πίσω από τους ηλεκτρικούς κινητήρες, και τα μικροκύματα στους οικιακούς φούρνους μικροκυμάτων. Η πρόκληση είναι να αναπτυχθούν, να βελτιστοποιηθούν όλες αυτές οι τεχνολογίες και να συνδυαστούν μεταξύ τους, ώστε να δημιουργήσουν ένα σταθερό σύστημα, το οποίο είναι ένα έργο που απαιτεί εκτεταμένη συνεργασία μεταξύ μηχανικών και επιστημόνων από ένα ευρύ φάσμα πεδίων. Παρόλο που ο στόχος των διαρκών αντιδράσεων και μιας αποτελεσματικής πηγής ενέργειας είναι ακόμη σε εξέλιξη, η έρευνα του EUROfusion στα tokamak, όπως το JET μας φέρνει πιο κοντά στο να κάνουμε πραγματικότητα την ενέργεια σύντηξης.

Resources

Βρείτε πόρους διδασκαλίας για τη σύντηξη στην ιστοσελίδα του EUROfusion.
Η ιστοσελίδα FuseNet περιέχει εκπαιδευτικό υλικό που περιλαμβάνει μαθήματα, βιβλία, πειράματα, πολυμέσα, κριτικές και εργασίες για τη σύντηξη.
Εξερευνήστε το tokamak του ITER στην ιστοσελίδα Fusion for Energy. Κάντε κλικ στα στοιχεία για να μάθετε περισσότερα για το καθένα.
Χρησιμοποιείστε σφαίρες πλάσματος για να επιδείξετε – διασκεδαστικά – άφθονη ενδιαφέρουσα φυσική: Yáñez González (2016) Πλάσμα: Η τέταρτη κατάσταση της ύλης. Science in School 37: 50–55.
Χρησιμοποιήστε μικροκύματα για θεαματικά πειράματα στην τάξη: Stanley H (2009) Πειράματα μικροκυμάτων στο σχολείο. Science in School 12: 30–33.
Διαβάστε σχετικά με το πείραμα του JET που κατέδειξε σταθερή ισχυρή ισχύ σύντηξης για πρώτη φορά: Warrick C (2022) Το JET θέτει νέα όρια στην ενέργεια σύντηξης. Science in School 57.
Μάθετε περισσότερα για τον Ήλιο και την πηγή της ισχύος του: Tiele Westra M (2006) Σύντηξη στο Διάστημα: η ισχύς του Ήλιου. Science in School 3: 60–62.
Ανακαλύψτε πως χρησιμοποιούνται τα drones για να επισκευάσουν συσκευές σύντηξης: Drone σύντηξης: robot τεχνικοί για πυρηνικές συσκευές. Science in School 40: 8–11.
Μάθετε περισσότερα για τη διαφορά μεταξύ σύντηξης και σχάσης: EUROfusion (2021)Σύντηξη εναντίον σχάσης. Science in School 51.
Μάθετε περισσότερα για το ήλιο και γιατί πρέπει να το διατηρήσουμε: Lord M (2021) Στοιχεία στο προσκήνιο: ήλιο. Science in School 53.