Σύντηξη με τη θερμότερη ύλη και τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία: Σύντηξη – Μέρος Γ’

Σύντηξη με μαγνητική παγίδευση 

Στο προηγούμενο μέρος της σειράς άρθρων για τη σύντηξη, μιλήσαμε για το πώς τα ισχυρότερα λέιζερ του κόσμου χρησιμοποιούνται για να συμπιέσουν μικροσκοπικές κάψουλες καυσίμου σε ακραίες πυκνότητες ώστε τα άτομα που την αποτελούν να συντηχθούν και να ξεκινήσουν τη λεγόμενη “ανάφλεξη”. Αυτό ακριβώς κατάφεραν οι ερευνητές της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης (National Ignition Facility – NIF) μόλις μερικούς μήνες πριν. Εδώ, όμως, η μέθοδος για την επίτευξη ανάφλεξης που θα συζητήσουμε μοιάζει περισσότερο με αυτό που προσπαθούσε να πετύχει ο Doctor Octopus στην πρώτη τριλογία του Spider-man (ταινία του 2004)!

Όταν μιλάμε για σύντηξη, η παράμετρος που πρέπει να έχουμε στο μυαλό μας είναι το τριπλό γινόμενο, δηλαδή το γινόμενο της θερμοκρασίας, της πίεσης και του χρόνου παγίδευσης. Ο λόγος που θέτουμε αυτό το κριτήριο είναι διότι η σύντηξη αποτελεί καθαρά στατιστικό φαινόμενο. Στη σύντηξη με αδρανειακή παγίδευση, ο στόχος μας είναι να μεγιστοποιήσουμε τη θερμοκρασία και την πίεση. Στον Ήλιο, δε συναντάμε τις εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες ή θερμοκρασίες της αδρανειακής παγίδευσης, διότι δεν είναι απαραίτητες· το πλάσμα είναι παγιδευμένο στο κέντρο του για δισεκατομμύρια χρόνια. Αντιθέτως, στη σύντηξη με μαγνητική παγίδευση στόχος μας είναι η μεγιστοποίηση της θερμοκρασίας, αλλά και του χρόνου.

Οι συσκευές σχήματος ντόνατς (τόρος στα Ελληνικά) που χρησιμοποιούνται στη μαγνητική παγίδευση ονομάζονται τόκαμακ, ακρωνύμιο από τα αρχικά των λέξεων στα ρωσικά που μεταφράζεται ως “τοροειδής θάλαμος με μαγνητικά πεδία”. Εκεί, δημιουργούνται μερικά από τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία του κόσμου (~10 Tesla, δηλαδή περίπου 50.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης στον Ισημερινό!), φέρνοντας τη φυσική και τη μηχανική στα όριά τους. Όπως εξηγήσαμε παραπάνω, οι ερευνητές αυτού του πεδίου σύντηξης θέλουν να κρατήσουν το πλάσμα που δημιουργούν για όσο το δυνατόν περισσότερο χρόνο παγιδευμένο στη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία, αλλά η πυκνότητα είναι εξαιρετικά χαμηλή – εκατοντάδες χιλιάδες φορές χαμηλότερη από αυτή του αέρα. 

Πρόσφατα, λοιπόν, στη Νότια Κορέα θέρμαναν αραιό πλάσμα σε θερμοκρασία άνω των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου για περίπου 30 δευτερόλεπτα! Η θερμοκρασία αυτή είναι εξαιρετικά υψηλή, ακόμη και για τα δεδομένα της σύντηξης, ενώ η παγίδευση του πλάσματος διήρκησε δισεκατομμύρια φορές περισσότερο από τον αντίστοιχο τυπικό χρόνο στην αδρανειακή σύντηξη. Από την άλλη, το Γαλλικό Tore Supra Tokamak συγκράτησε πλάσμα για 6 λεπτά και 30 δευτερόλεπτα. Τέλος, το Ιαπωνικό JT-60 κατέχει το ρεκόρ για το μεγαλύτερο καταγεγραμμένο τριπλό γινόμενο (βλ. Εικόνα 2).

Αλλά πώς το πετυχαίνουν αυτό και γιατί είναι τόσο δύσκολο; 

Η μαγνητική σύντηξη είναι μια διαρκής μάχη συγκράτησης των ιόντων και των ηλεκτρονίων σε υψηλή θερμοκρασία μέχρι να συγκρουστούν αρκετές φορές και να αναφλεχθούν. Αλλά τα σωματίδια αυτά δεν παραμένουν ακίνητα μέσα στο τόκαμακ, κάθε άλλο. Υπάρχει μια συνεχής ροή σωματιδίων που θα έπεφτε πάνω στα τοιχώματα του τόκαμακ αν αυτό δεν επέτρεπε μια περιοδική κίνηση (δηλαδή αν η συσκευή ήταν απλώς γραμμική). Μια σφαίρα λύνει αυτό το πρόβλημα· τα σωματίδια μπορούν να ρέουν επ’ αορίστου από τη μία μεριά στην άλλη. Πράγματι, υπάρχουν σφαιρικές συσκευές που παγιδεύουν πλάσμα χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία, προσπαθώντας να αποτρέψουν τη διαφυγή των σωματιδίων. Δυστυχώς, όμως, το πλάσμα σε τέτοιες συνθήκες είναι εξαιρετικά ασταθές και μια τέτοια διαρρύθμιση δημιουργεί σημαντικές αστάθειες στις συνθήκες ανάφλεξης. Έτσι, η γεωμετρία που φαίνεται να δουλεύει καλύτερα είναι αυτή του τόρου, διότι επιτρέπει τη χρήση τοροειδών (περιμετρικά του τόρου) και πολοειδών (δακτύλιοι που “τυλίγουν” το ντόνατ) μαγνητικών πεδίων (βλ. Εικόνα 1, δεξιά). 

Αρχικά, οι ερευνητές πίστευαν ότι χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές η επίτευξη σύντηξης θα ήταν εύκολη. Αλλά καθώς περνούσαν τα χρόνια, ολοένα και περισσότερες αστάθειες και λοιπά προβλήματα ερχόντουσαν στην επιφάνεια, όπως η τύρβη¹ του πλάσματος. Πλέον έχουν εφαρμοστεί άλλες εξεζητημένες γεωμετρίες, με συσκευές όπως το stellarator (Εικόνα 2), προς επίλυση αυτών των προβλημάτων. Μακράν, όμως, η πιο πολλά υποσχόμενη εγκατάσταση είναι το ITER στο Cadarache της νότιας Γαλλίας (Εικόνα 3). Δεκάδες χώρες, όπως οι ΗΠΑ, η Κίνα και οι χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, συμμετέχουν στον σχεδιασμό και την υλοποίηση της μεγαλύτερης εγκατάστασης για την επίτευξη σύντηξης στον κόσμο εδώ και τρεις δεκαετίες. Το εγχείρημα αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2025 και χιλιάδες επιστήμονες από όλο τον κόσμο αναμένουν τα πρώτα αποτελέσματα που θα επιβεβαιώσουν πειραματικά τη σύντηξη με μαγνητική παγίδευση!

¹  Στη μηχανική ρευστών τυρβώδης ροή, ή στροβιλώδης ροή ονομάζεται το συγκεκριμένο είδος ροής των ρευστών που χαρακτηρίζεται από χαώδεις ή τυχαίες μεταβολές του πεδίου ροής αυτών. Δηλαδή οι μεταβλητές του πεδίου ροής ενός ρευστού, πίεση και ταχύτητα, μεταβάλλονται απότομα και τυχαία για κάθε σημείο του χώρου που καταλαμβάνει το πεδίο ροής και κατά τη χρονική εξέλιξη του φαινομένου.