Η πυρηνική σύντηξη φιλοδοξεί να προσφέρει μια επαναστατική πηγή ενέργειας, όμως η αξιοποίησή της παραμένει διαρκώς «λίγο πιο πέρα» τεχνολογικά.
Άλλωστε, ποιος θα φανταζόταν ότι η αξιοποίηση της ίδιας βασικής διαδικασίας που τροφοδοτεί τον Ήλιο θα ήταν τόσο δύσκολη;
Σήμερα, πολλοί πειραματικοί αντιδραστήρες σύντηξης έχουν το χαρακτηριστικό σχήμα «ντόνατ», γνωστό ως tokamak. Ή, σύμφωνα με τη ρωσική προέλευση της ονομασίας του, έναν τοροειδή θάλαμο και μαγνητικό πηνίο.
Με πιο απλά και εντυπωσιακά λόγια, ένας tokamak μοιάζει με ένα μικροσκοπικό άστρο πάνω στη Γη.
Ο tokamak χρησιμοποιεί ισχυρά μαγνητικά πεδία για να θερμάνει το πλάσμα στους 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, περίπου δέκα φορές τη θερμοκρασία στον πυρήνα του Ήλιου, προκαλώντας τη σύντηξη βαρέων ισοτόπων του υδρογόνου και την απελευθέρωση τεράστιας ενέργειας.
Αυτός είναι ο στόχος, τουλάχιστον, αλλά η διαδικασία συνοδεύεται από σοβαρές δυσκολίες.
Για παράδειγμα, ένα βασικό ζήτημα είναι η τύρβη που σχηματίζεται σε αυτό το αστρονομικά θερμό πλάσμα και το κάνει να χάνει θερμότητα.
Έτσι πιστευόταν μέχρι τώρα, όμως η σχέση ανάμεσα στην αστάθεια και την τύρβη αποδεικνύεται πιο σύνθετη, και αυτό ίσως ανατρέψει την παραδοχή αυτή.
Σε εργασία που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Physical Review Letters, ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μεγαλύτερη εν λειτουργία εγκατάσταση tokamak στη Βόρεια Αμερική, το DIII-D National Fusion Facility στο Σαν Ντιέγκο της Καλιφόρνια, για να δώσουν τα πρώτα πειραματικά στοιχεία ότι ένας τύπος αστάθειας του πλάσματος μπορεί στην πραγματικότητα να βελτιώνει την απόδοση των αντιδραστήρων σύντηξης.
Συγκεκριμένα, οι ερευνητές έδειξαν στοιχεία ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα που προκαλούνται από τις ιδιομορφίες Alfvén, ή αλλιώς από τα κύματα του πλάσματος, ενισχύουν ένα αυτορρυθμιζόμενο φαινόμενο που σταματά την τύρβη.
Οι Alfvén eigenmodes, AE, θεωρούνταν γενικά εμπόδιο για την απόδοση της σύντηξης, επειδή μπορούν να υποβαθμίσουν την εγκλωβισμένη συμπεριφορά των ενεργητικών σωματιδίων.
Όμως, με βάση θεωρίες και προσομοιώσεις, οι ερευνητές δείχνουν ότι οι AE μπορεί επίσης να προκαλούν ροές πλάσματος και ηλεκτρομαγνητικά ρεύματα που δημιουργούν διατμητική ροή.
Αυτή η διατμητική ροή καταστέλλει την τύρβη του πλάσματος μέσα στον tokamak, αυξάνοντας τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων και των ιόντων, δηλαδή των φορτισμένων ατομικών πυρήνων, ώστε να δημιουργηθούν συνθήκες πιο ευνοϊκές για σύντηξη.
Αυτό, με τη σειρά του, μειώνει τη μεταφορά θερμότητας, κάτι που ίσως ακούγεται αρνητικό, αλλά συμβαίνει το αντίθετο. Στην πράξη, η μειωμένη μεταφορά σημαίνει ότι περισσότερη θερμότητα παραμένει εγκλωβισμένη στον πυρήνα του πλάσματος, αντί να διαφεύγει προς τα έξω, αυξάνοντας το δυναμικό σύντηξης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα διαγνωστικό εργαλείο πυρηνικής σύντηξης που ονομάζεται Motional Stark Effect (MSE) για να εντοπίσουν τις μαγνητικές μεταβολές που συμβαίνουν στο εσωτερικό του tokamak.
Στον tokamak DIII-D, το MSE λειτουργεί με την εκτόξευση μιας δέσμης ουδέτερων ατόμων δευτερίου στο πλάσμα και στη συνέχεια με τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο του πλάσματος αλλάζει την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός.
Το MSE αποκάλυψε μια μεταβολή σε μια παράμετρο που ονομάζεται safety factor, δηλαδή έναν δείκτη που σχετίζεται με το πώς οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου κινούνται γύρω από τη μεγάλη, τοροειδή διάσταση της περιοχής συγκράτησης και τη μικρή, πολωειδή διάσταση – φανταστείτε μια από εκείνες τις σπειροειδείς «πατάτες-ανεμοστρόβιλους» κρεμασμένη σε ένα ραβδί.
Με βάση τη δομή αυτής της «πατάτας», οι γραμμές αυτές σχηματίζουν μια ελικοειδή δομή που παγιδεύει το πλάσμα, και ο safety factor είναι μία από τις ποσότητες που χρησιμοποιούν οι φυσικοί όταν αναλύουν τη σταθερότητα καθώς το σύστημα περιστρέφεται γύρω από το ντόνατ των εκατό εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου.
Αντίστοιχα, οι ερευνητές μέτρησαν μεταβολή 5% στο safety factor μέσα σε 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου, κάτι που ερμηνεύουν ως ένδειξη ρευμάτων ζωνών που προκαλούνται από AE και λένε ότι συνάδει με «προσεγγιστικές εκτιμήσεις».
Συνολικά, το αποτέλεσμα είναι αντιδιαισθητικό: οι αστάθειες που θεωρούνταν ότι διαταράσσουν τη σύντηξη μπορεί τελικά να αυτορρυθμίζονται όταν επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο ενεργειακό όριο.
Σχετικό: Οι φυσικοί της σύντηξης βρήκαν τρόπο να ξεπεράσουν ένα μακροχρόνιο όριο πυκνότητας
Έτσι, οι πυρηνικοί φυσικοί έχουν πλέον πειραματικά στοιχεία ότι οι διεργασίες AE βοηθούν στη δημιουργία των δυνάμεων που στην πραγματικότητα διαλύουν την τύρβη, συμβάλλοντας, κατά τα φαινόμενα, στο να γίνει ο «φούρνος» του tokamak πιο θερμός και να διευκολυνθεί η σύντηξη.
Η αξιοποίηση, ωστόσο, μιας τέτοιας αυτορρυθμιζόμενης διαδικασίας που καταστέλλει την τύρβη παραμένει ακόμη μακριά – αλλά ο ορίζοντας μοιάζει πολύ φωτεινός.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
