Οι επιστήμονες επέδειξαν ένα νέο καθεστώς λειτουργίας του πλάσματος, το οποίο θα μπορούσε να βοηθήσει στην ταυτόχρονη επίλυση δύο από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της ενέργειας σύντηξης.
Στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα σύντηξης, η ύλη θερμαίνεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές του Ήλιου και περιορίζεται από ισχυρά μαγνητικά πεδία.
Ωστόσο, η διατήρηση της σταθερότητας αυτού του υπερθερμασμένου πλάσματος για αρκετό χρόνο ώστε να παραχθεί αξιοποιήσιμη ενέργεια παραμένει μία από τις δυσκολότερες προκλήσεις του κλάδου.
Ένα σημαντικό πρόβλημα είναι ότι το εξωτερικό όριο του πλάσματος μπορεί να απελευθερώσει βίαιες εκρήξεις ενέργειας ικανές να προκαλέσουν ζημιά στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, ενώ το σύστημα απαγωγής πρέπει επίσης να αντέχει σε τεράστια θερμικά φορτία, συγκρίσιμα με εκείνα που δέχεται ένα διαστημόπλοιο κατά την επανείσοδό του στην ατμόσφαιρα.
Τώρα, ερευνητές στην Κίνα ίσως βρήκαν έναν τρόπο να αντιμετωπίσουν και τα δύο ζητήματα ταυτόχρονα.
Το επίτευγμα του αντιδραστήρα EAST: Ένα λεπτό που αλλάζει τα δεδομένα
Μια ομάδα υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Γκουοσένγκ Σου (Guosheng Xu) στο Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος, το οποίο αποτελεί τμήμα των Ινστιτούτων Φυσικής Επιστήμης του Χεφέι υπό την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, επέδειξε ένα νέο καθεστώς λειτουργίας του πλάσματος στη συσκευή σύντηξης EAST, το οποίο μειώνει ταυτόχρονα τη θερμότητα που πλήττει τα εξαρτήματα του αντιδραστήρα, καταστέλλει τις καταστροφικές αστάθειες και διατηρεί ισχυρό περιορισμό της ενέργειας.
Το επίτευγμα αυτό, το οποίο διατηρήθηκε για περίπου ένα λεπτό σε περιβάλλον μεταλλικών τοιχωμάτων, δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
Προκλήσεις της σύντηξης: Θερμικά φορτία, ELM και σταθερότητα
Οι αντιδραστήρες σύντηξης λειτουργούν περιορίζοντας το πλάσμα —ένα εξαιρετικά θερμό, ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο— στο εσωτερικό μαγνητικών πεδίων.
Για να λειτουργούν συνεχώς οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας από σύντηξη, πρέπει να διατηρούν υψηλές θερμοκρασίες και ισχυρό περιορισμό, απομακρύνοντας παράλληλα με ασφάλεια την περίσσεια θερμότητα και τα σωματίδια από το εξωτερικό όριο του πλάσματος.
Μία από τις πιο ευάλωτες περιοχές είναι ο εκτροπέας (divertor), ένα εξειδικευμένο σύστημα απαγωγής που διαχειρίζεται τη θερμότητα και τα σωματίδια που διαφεύγουν. Υπό κανονικές συνθήκες, ο εκτρέπεας μπορεί να δεχθεί τεράστιες ροές θερμότητας που απειλούν να διαβρώσουν τα υλικά του αντιδραστήρα.
Οι επιστήμονες συχνά διοχετεύουν μικρές ποσότητες αερίων προσμίξεων για να ψύξουν αυτή την περιοχή μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αποκόλληση (detachment), κατά την οποία το πλάσμα διαχωρίζεται εν μέρει από την επιφάνεια του εκτροπέα. Ωστόσο, η υπερβολική ψύξη μπορεί επίσης να μειώσει την απόδοση του πλάσματος.
Ένα άλλο σημαντικό ζήτημα αφορά τις εντοπισμένες στο όριο αστάθειες, ή ELM (Edge-Localized Modes), οι οποίες είναι ξαφνικές εκρήξεις θερμότητας και σωματιδίων από το εξωτερικό όριο του πλάσματος που συμπεριφέρονται κάπως σαν τις ηλιακές εκλάμψεις.
Αυτά τα ξεσπάσματα είναι συχνά σε πλάσματα υψηλού περιορισμού, ή H-mode, τα οποία κατά τα άλλα είναι επιθυμητά επειδή παγιδεύουν την ενέργεια αποτελεσματικά.
Η εξάλειψη των ELM χωρίς να θυσιαστεί ο περιορισμός θεωρείται εδώ και καιρό ένα βασικό εμπόδιο για τους μελλοντικούς αντιδραστήρες σύντηξης.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές έλεγξαν με ακρίβεια τη διοχέτευση ελαφρών αερίων προσμίξεων στο εσωτερικό του tokamak EAST για να δημιουργήσουν αυτό που ονομάζουν «Καθεστώς Αποκολλημένου Εκτροπέα και Κυριαρχούμενου από Στροβιλισμό Βάθρου» (DTP – Detached divertor and Turbulence-dominated Pedestal).
Καθεστώς DTP: Καινοτομία στη διοχέτευση αερίων και τον έλεγχο του πλάσματος
Μέσω της ακριβούς ρύθμισης της εισαγωγής αερίου σε πραγματικό χρόνο, οι ερευνητές πέτυχαν μερική αποκόλληση του εκτρέπεα χωρίς να διακυβευτεί η σταθερότητα.
Υπό αυτές τις συνθήκες, η θερμότητα που έφτανε στις πλάκες του εκτρέπεα μειώθηκε σημαντικά, τα ELM εξαλείφθηκαν πλήρως και η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων στο βάθρο αυξήθηκε, βελτιώνοντας τον περιορισμό της ενέργειας.
Ο συνδυασμός της μερικής αποκόλλησης και του σχεδιασμού κλειστού εκτροπέα βοήθησε στην παγίδευση και την απομάκρυνση των ουδέτερων σωματιδίων, γεγονός που μείωσε την ψύξη στο εξωτερικό όριο του πλάσματος και ενίσχυσε τη βαθμίδα θερμοκρασίας.
Η πιο απότομη βαθμίδα προκάλεσε μικροστροβιλισμό, συγκεκριμένα παγιδευμένες ηλεκτρονικές καταστάσεις (trapped electron modes) που καθοδηγούνται από τη βαθμίδα θερμοκρασίας, οι οποίες μετακίνησαν φυσικά τη θερμότητα και τα σωματίδια προς τα έξω.
Αυτή η διαδικασία περιόρισε τη συσσώρευση πίεσης στο βάθρο, απέτρεψε τα ELM και υποστήριξε τη σταθερή λειτουργία του πλάσματος υψηλής απόδοσης για περίπου ένα λεπτό, σηματοδοτώντας σημαντική πρόοδο προς τη βιώσιμη σύντηξη μακράς διάρκειας.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η εργασία τους υποδεικνύει έναν πολλά υποσχόμενο τρόπο για την εξισορρόπηση του ελέγχου της θερμότητας του εκτρέπεα με τον αποδοτικό περιορισμό του πλάσματος, αντιμετωπίζοντας μια μακροχρόνια πρόκληση στην ανάπτυξη της ενέργειας σύντηξης.
