Un termometru care indică până la 200 milioane de grade Understand article

Tradus de Gabriela Cîrstea. Măsurarea temperaturii în interiorul unui reactor de fuziune nu este o sarcină uşoară. Aflaţi cum se face acest lucru şi realizaţi chiar o simulare în clasă.

Pentru imagine, mulţumim
AMIDAPHAT / Flickr

Instalaţia Joint European Torus (JET) este cel mai mare sistem experimental de fuziune din lume, avansând metode noi de producere din abundenţă a energiei curate, similare metodei folosite de Soare: fuziunea unor atomi uşori ca hidrogenul pentru a obţine atomul mai greu de heliu.

Producerea energiei în Soare:
două nuclee de hidrogen
fuzionează formând un
nucleu de deuteriu, un
pozitron şi un neutrino.
Pozitronul întâlneşte rapid
un electron, se anihilează
reciproc şi rămâne doar
energie. Nucleul de deuteriu
fuzionează în continuare cu
un alt nucleu de hidrogen şi
formează heliu-3. În etapa
finală, două nuclee de heliu
-3 fuzionează şi formează
heliu-4 şi două nuclee de
hidrogen. Clicaţi pe imagine
pentru a o mări. 

Pentru imagine, mulţumim lui
Mark Tiele Westra

De fapt, scopul JET, din Regatul Unit – şi al succesorului său de dimensiuni mai mari ITER, aflat în construcţie în sudul Franţei – este de a funcţiona de mii de ori mai eficient decât Soarele, deşi aceasta necesită generarea în inima reactorului de fuziune a unor temperaturi de zece ori mai mari decât cele din interiorul Soarelui.

Surprinzător, oamenii de ştiinţă şi inginerii au conceput moduri de a încălzi combustibili pe bază de hidrogen la aceste temperaturi, prevenind topirea vasului reactorului prin controlul lor cu câmpuri magnetice foarte puternice (conform descrierii în Rüth, 2012). Aceste experimente depind fundamental nu numai de metodele de monitorizare a reacţiilor (vezi Dooley, 2012) ci şi de cele pentru măsurarea profilului de temperatură al combustibilului, de la miezul incandescent la marginile mai reci, astfel încât cercetătorii pot crea mediul optim pentru producerea fuziunii.

Cum măsoară oamenii de
ştiinţă temperatura într-
un reactor de fuziune? Un
termometru clasic s-ar
topi într-un interval de
ordinul microsecundelor.

Pentru imagine, mulţumim
alxpin / iStockphoto

La aceste temperaturi combustibilul pe bază de hidrogen trece în a patra stare de agregare a materiei, plasma. Măsurarea temperaturii unei plasme care este de zece ori mai fierbinte decât Soarele prezintă unele dificultăţi – nu se poate pur şi simplu introduce un termometru clasic: acesta s-ar topi în câteva microsecunde. Lucrurile se complică şi mai mult din cauză că plasma este formată din două tipuri foarte diferite de particule încărcate: electronii smulşi din atomi şi ionii pozitivi mai grei rezultaţi prin îndepărtarea electronilor. Factorul cheie în fuziune este crearea ionilor fierbinţi care să fuzioneze, dar electronii pot reacţiona la sistemele de încălzire diferit faţă de ioni – şi pot ajunge în final la o temperatură diferită! Interacţiunile complexe dintre electroni şi ioni pot afecta în mod semnificativ realizarea cu succes a unui experiment de fuziune.

În ciuda acestor dificultăţi, fizicienii specialişti în domeniul plasmei au elaborat mai multe metode pentru deducerea temperaturii (figura 1) – verificarea încrucişată a rezultatelor diferitelor metode măreşte gradul de încredere al măsurătorilor – astfel încât ei pot avea încredere că deţin controlul asupra a ceea ce se petrece într-una din cele mai fierbinţi zone ale Sistemului Solar.

Figura 1A: Model simplificat al
instalaţiei experimentale JET, care
prezintă doar sistemele de
măsurare a temperaturii. Emisie
ciclotronică de electroni (violet pal),
LIDAR/împrăştiere Thomson (roşu),
schimb de sarcină (verde aprins) şi
spectroscopie de raze X (verde pal).
Clicaţi pe imagine pentru a o mări.
Figura1B (detaliu): Traiectoria
semnalului LIDAR prin plasmă:
fasciculul laser pătrunde
orizontal din stânga. Un
detector aflat în partea
superioară a vasului
reactorului preia radiaţia
luminoasă din acest laser,
care este împrăştiată de electroni.
Clicaţi pe imagine pentru a o mări. 

Pentru imagine, mulţumim EFDA

Temperatura electronilor

Cercul se închide: emisia ciclotronică de electroni

Primul ‘termometru’ se bazează pe efectul câmpurilor magnetice asupra particulelor încărcate. Fiind încărcaţi cu sarcină, electronii sunt forţaţi să se deplaseze în spirală de-a lungul liniilor de câmp magnetic, ceea ce generează microunde numite emisie ciclotronică (figura 2). Cu cât electronii sunt mai fierbinţi – şi, prin urmare, mai rapizi -, cu atât microundele emise de aceştia sunt mai intense.

Microundele furnizează de asemenea un profil al temperaturii electronilor, datorită câmpului magnetic variat din vasul reactorului: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvenţa mişcării în spirală este mai mare. Studiul intensităţii câmpului în funcţie de frecvenţă ne indică temperatura pentru fiecare intensitate a câmpului magnetic. Combinând aceste rezultate cu harta spaţială a intensităţii câmpului magnetic, generată de alte sisteme, obţinem un profil al temperaturii electronilor.

Figura 2: Câmpul magnetic din tor imprimă electronilor traiectorii elicoidale, aceştia emiţând radiaţie la frecvenţa oscilaţiei lor. Cu cât câmpul magnetic este mai intens (adică spre polul torului – gaura din covrig), cu atât elicea este mai strânsă, ceea ce conduce la o spirală mai strânsă şi prin urmare la o frecvenţă mai mare de emisie. Intensitatea radiaţiei este determinată de viteza cu care se deplasează electronii – adică de temperatura lor. Cu cât plasma este mai fierbinte, cu atât semnalul este mai puternic. Intensitatea câmpului magnetic este deja cunoscută din alte măsurători pe care nu le discutăm aici, astfel încât distribuţia temperaturii plasmei poate fi calculată prin corelarea frecvenţei cu intensitatea. Clicaţi pe imagine pentru a o mări.
Pentru imagine, mulţumim EFDA

Atenţie, LIDAR!

Pentru a măsura viteza particulelor, al doilea ‘termometru’ al instalaţiei JET utilizează un sistem similar camerelor video folosite de poliţie, doar că foloseşte radiaţie laser (LIDAR) în locul undelor radio. Lumina laserului este împrăştiată de electroni într-un proces numit împrăştiere Thomson; dacă electronii sunt în mişcare, atunci lumina împrăştiată va suferi deplasare Doppler (figura 3). Suntem mai familiarizaţi cu deplasările Doppler ale sunetului: sunetul maşinilor în mişcare are o înălţime ceva mai mare când ele se apropie de noi decât atunci când se îndepărtează. În mod similar, dacă lumina este împrăştiată de electroni în mişcare, frecvenţa ei (culoarea) va suferi o deplasare Doppler spre frecvenţe mai mari dacă electronii se mişcă spre detector şi spre frecvenţe mai mici pentru cei care se îndepărtează de detector. Cu cât electronul este mai rapid, cu atât deplasarea frecvenţei este mai mare.

Efectul cumulat al numărului mare de electroni din plasmă – unii apropiindu-se de detector iar alţii îndepărtându-se de acesta – este că banda de frecvenţe, iniţial îngustă, a radiaţiei laser devine mai largă (figura 1B). Amploarea lărgirii benzii indică viteza electronilor, deci temperatura lor.

Un profil bidimensional al temperaturii se creează prin combinarea datelor de la un număr de fascicule direcţionate la diferite unghiuri prin plasmă. Acest proces este similar generării imaginilor 2D prin tomografie computerizată cu multiple raze X individuale.

Figura 3: Efectul Doppler în împrăştierea Thomson. Radiaţia laser ce pătrunde din stânga este absorbită şi apoi re-emisă de electroni, iar un detector aflat deasupra fasciculului înregistrează fracţiunea de lumină emisă în sus. Mişcarea electronilor atât faţă de fasciculul laser cât şi faţă de detector conduce la deplasarea Doppler a luminii împrăştiate faţă de frecvenţa iniţială a radiaţiei laser spre frecvenţe fie mai mari, fie mai mici, în funcţie de direcţia de mişcare.

Electronul A se mişcă spre fasciculul laser şi deci absoarbe radiaţie deplasată spre albastru, în timp ce electronul D se mişcă în direcție opusă şi absoarbe radiaţie deplasată spre roşu care este apoi împrăştiată la lungimea de undă absorbită. Electronii B şi C nu se mişcă faţă de fasciculul laser, deci lumina absorbită are frecvenţa initială. Cu toate acestea, din cauza mişcării spre şi dinspre detector, lumina re-emisă suferă deplasare Doppler spre albastru sau, respective, spre roşu, cum se vede în imagine. Clicaţi pe imagine pentru a o mări.
Pentru imagine, mulţumim EFDA

Temperatura ionilor

Din păcate, LIDAR nu este o metodă eficientă de măsurare a ionilor. Aceasta deoarece procesul împrăştierii Thomson se bazează pe oscilaţiile induse ale unei particule încărcate. Ionii mai grei oscilează mai puţin – ei nu sunt aruncaţi încoace şi încolo de undele radiaţiei laser la fel ca electronii mai uşori.

Masa mare a ionilor înseamnă de asemenea că frecvenţa lor ciclotronică este prea mică pentru a fi utilă – undele au o lungime prea mare pentru a permite o măsurătoare de precizie şi, întâmplător, aceasta coincide cu frecvenţa de absorbţie naturală a plasmei, deci nu ies din plasmă neafectate.

În plus, ionii de hidrogen din plasmă devin efectiv invizibili deoarece toţi electronii le sunt smulşi, dezactivând mecanismul obişnuit de producere a radiaţiei – prin salturi ale electronilor de pe o orbită pe alta.

Cu toate acestea, a fost găsită o modalitate de a determina temperatura, prin intermediul impurităţilor din plasma; deşi nu sunt de dorit în cantităţi mari, urmele de impurităţi pot fi folositoare în acest scop.

Schimb de partener: schimb de sarcină

Cercetarea în domeniul
fuziunii este inspirată de
Soare, care fuzionează atomi
uşori ca hidrogenul în atomi
mai grei, în acest proces
emiţându-se energie.

Pentru imagine, mulţumim
EFDA

Una din impurităţile cel mai des întâlnite în plasmă este carbonul, care până în 2010 alcătuia căptuşeala peretelui instalaţiei JET. Deşi plăcile de carbon au fost înlocuite cu beriliu şi tungsten, în plasmă mai există încă urme de carbon. De regulă, carbonul este invizibil, la fel ca hidrogenul, dar poate fi făcut vizibil printr-un proces numit schimb de sarcină. Aceasta implică emiterea unui fascicul de atomi neutri de hidrogen de mare viteză în plasmă. Când aceşti atomi întâlnesc un ion de carbon, uneori un electron sare de pe un atom de hidrogen pe un carbon, iar apoi acesta emite un spectru precis care este uşor de detectat.

Din cauza temperaturii ridicate, atomii de carbon se deplasează foarte rapid în toate direcţiile, astfel încât frecvenţele precise sunt apoi împrăștiate la fel cum este împrăştiat semnalul LIDAR (figura 3).

Ochi cu raze X: impurităţi de tungsten

O a doua metodă pentru măsurarea temperaturii ionilor – bazată tot pe impurităţi – a fost recent pusă în funcţiune la JET: un nou detector de raze X. Este inevitabil ca tungstenul să fie îndepărtat de pe noile plăci din perete contaminând în cantităţi mici plasma. Spre deosebire de atomii uşori, tungstenul la temperaturi înalte reţine de obicei aproape jumătate din cei 72 de electroni chiar şi în căldura extremă a zonei active a plasmei, astfel că nu devine invizibil – aceşti electroni fac salturi între învelişurile electronice şi emit raze X. Lărgirea Doppler a acestui spectru de raze X cauzată de mişcarea ionilor permite calculul temperaturii (ca în figura 3).

Profilurile de temperatură ale acestor patru sisteme sunt esenţiale pentru analiza eficienţei sistemelor de încălzire utilizate în JET – unele dintre ele încălzind electronii, în timp ce altele acţionează asupra ionilor. Măsurătorile furnizează de asemenea informaţii vitale despre comportamentul plasmei în diferite circumstanţe, inclusiv referitor la modul de interacţiune dintre electroni şi ioni. Folosind aceste informaţii, oamenii de ştiinţă şi inginerii JET pot manipula plasma pentru a maximiza confinarea energiei, creând şi menţinând astfel condiţii optime pentru fuziune.

Demonstraţie a efectului Doppler

Pentru a genera propria Dvs. deplasare Doppler aveţi nevoie de o mica sursă sonoră alimentată cu baterie care poate emite un sunet lung sau o mulţime de sunete de înălţime constantă. Puteţi folosi la fel de bine un mic ceas deşteptător sau un telefon mobil cu ton unic de apel sau alarmă. Apoi aveţi nevoie de o şosetă lungă sau de un ciorap – cu cât mai lung cu atât mai bine – şi, în sfârşit, de mult spaţiu!

Amplasați fiind în centrul spaţiului, porniţi alarma ceasului, apoi introduceţi ceasul în ciorap şi rotiţi-l deasupra capului cât puteţi de repede. Celelalte persoane prezente vor auzi un sunet de înălţime variabilă pe măsură ce sursa sonoră se apropie şi apoi se îndepărtează de acestea. Dacă sunteţi chiar persoana care execută mişcarea, nu veţi observa nicio diferenţă, deoarece sursa sonoră nici nu se apropie şi nici nu se depărtează de Dvs., ci se mişcă în cerc în jurul Dvs.

Mai multe informaţii despre EFDA-JET

Instalaţia Joint European Torus (JET)w1 investighează potenţialul fuziunii ca sursă sigură, curată şi practic nelimitată de energie pentru generaţiile viitoare. Pot fi create în plasmă condiţiile suficiente (100-200 milioane °C) pentru a se produce fuziunea nucleelor de deuteriu şi tritiu şi a fost realizată o putere maximă a fuziunii de 16 MW. Fiind un proiect comun, JET este utilizat în colaborare de peste 40 de laboratoare de cercetare în domeniul fuziunii din Europa. Acordul European pentru realizarea fuziunii (EFDA) furnizează platforma de exploatare a instalaţiei JET, la al cărei program contribuie în present peste 350 de oameni de ştiinţă şi ingineri din toată Europa.

EFDA-JET este membru al EIROforumw2, editor al publicaţiei Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Aflaţi mai multe despre EFDA-JET.
  • w2 – EIROforum este o colaborare între opt dintre cele mai mari organizaţii interguvernamentale de cercetare ştiinţifică din Europa care şi-au reunit resursele, dotările şi competenţele pentru a sprijini dezvoltarea la potențial maxim a ştiinţei din Europa. Ca parte a activităţilor sale de educaţie şi sensibilizare, EIROforum este editorul Science in School.

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Phil Dooley este responsabil de informare şi educaţie la EFDA-JET. S-a născut la Canberra, în Australia şi a obţinut un doctorat în Fizica Laserilor la Australian National University. Pentru a evada din mediul academic s-a angajat în IT la Rarotonga, Cook Islands, timp de 18 luni, înainte de a se reîntoarce în Australia pentru a lucra ca trainer în domeniul software. Din dragoste de ştiinţă s-a reîntors la fizică, de data aceasta într-un rol de comunicare în care conduce programul de sensibilizare în şcoli derulat de Universitatea din Sydney. În octombrie 2011 Phil s-a alăturat echipei EFDA-JET din Oxfordshire, UK.


Review

Acest articol descrie patru metode utilizate de cel mai mare experiment de fuziune din lume pentru a deduce temperatura din interiorul vasului reactorului de fuziune. Din cauza temperaturilor mari implicate, orice termometru s-ar topi instantaneu.

Cele patru metode vehiculează concepte din câteva domenii ale fizicii şi chimiei, printre care optică, electromagnetism, mecanică, energie şi structură atomică. În plus, este prezentată o activitate la clasă bazată pe demonstrarea efectului Doppler, ceea ce explică parţial o parte dintre cele patru metode.

Seria articolelor despre fuziune ale Science in School din care face parte acest articol (vezi lista resurselor), are un potențial interdisciplinar mare pentru elevii din ciclul superior al liceului, articolele putând fi utilizate pentru a discuta fuziunea: ca sursă de energie durabilă în viitor, modul de producere şi avantajele şi dezavantajele acesteia.


Mariana Martinho, Portugalia




License

CC-BY-NC-ND