OI BARBAROI POLITISMOI THREFONTAI ENERGEIAKA APO TO IDION ESOOTERIKO PERIBALLON TEES OIKIAS AUTOON


TO ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΟ ΜΕΛΛΟΝ

Κάθε δευτερόλεπτο περισσότεροι από 4 εκατομμύρια τόννοι
υδρογόνου συντήκονται στον ηλιακό πυρήνα, απελευθερώνοντας
τεράστια ποσά ενέργειας, τα οποία με τη μορφή θερμικής και
φωτεινής ακτινοβολίας συντηρούν τη ζωή στον πλανήτη μας. Και
όμως παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μια διαδικασία απόλυτα
εναρμονισμένη με τους νόμους της φύσης, η αναπαραγωγή της στη
Γη έχει ήδη εξελιχθεί στο δυκολότερο τεχνολογικό πρόβλημα της
εφηρμοσμένης φυσικής.

Του Γιώργου Ηλιόπουλου

Για πολλούς η επιτυχία στην προσπάθεια αυτή, που σχεδόν
ολοκληρώνει τέσσερις δεκαετίες εξαντλητικών ερευνών, θα
αποτελέσει για το ανθρώπινο είδος τη δεύτερη κεφαλαιώδη
εφεύρεση μετά από την ανακάλυψη της φωτιάς, ενώ σύμφωνα με το
διάσημο αστροφυσικό Νικολάι Καρντάτσεφ (Nikolai Kardashev),
οδηγεί σε έναν πολιτισμό που εισέρχεται στη δεύτερη φάση του
(ο δικός μας δεν έχει ακόμη ολοκληρώσει την πρώτη), δηλαδή σε
μια κοινωνία η οποία έχει τις δυνατότητες να εκμεταλλευθεί
χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα τις ενεργειακές και
πλουτοπαραγωγικές πηγές ενός ολόκληρου ηλιακού συστήματος.
Για να επιτύχουν τη σύντηξη (ένα φαινόμενο που ήδη
επιτυγχάνεται στιγμιαία με τις θερμοπυρηνικές εκρήξεις των
βομβών υδρογόνου), οι φυσικοί έχουν στραφεί στα δύο βαρέα
ισότοπα του υδρογόνου, δευτέριο και τρίτιο. Το δευτέριο (H-2)
υπάρχει στο νερό σε αναλογία 1:6700 ως προς το κοινό υδρογόνο
και το τρίτιο (H-3) παρά το γεγονός ότι είναι σπανιότατο στη
φύση, παρασκευάζεται σχετικά εύκολα με βομβαρδισμό πυρήνων
λιθίου (Li) με νετρόνια υψηλών ταχυτήτων. Σύντηξη βέβαια
σημαίνει ένωση πυρήνων, δηλαδή ένας πυρήνας δευτερίου ενώνεται
με έναν πυρήνα τριτίου, σχηματίζοντας τον πυρήνα του
υπερβαρέος ισοτόπου του υδρογόνου H-4 (το λεγόμενο σωματίδιο
άλφα), με παράλληλη απελευθέρωση ενός νετρονίου υψηλής
κινητικής ενέργειας και έκλυση τρομακτικής ενέργειας. Οι
θετικά όμως φορτισμένοι πυρήνες (λόγω πρωτονίων), απωθούνται
ισχυρά και για να υπερνικηθεί η άπωση πρέπει να αποκτήσουν
κινητική ενέργεια 100 KeV μέσω υπερθέρμανσης, κάτι που
συνεπάγεται την ύπαρξη θερμοκρασιών της τάξης των 100
εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Το αέριο μίγμα δευτερίου-τριτίου
παρουσιάζει μια ευρύτατη κατανομή ενεργειακών βαθμίδων, με
αποτέλεσμα μετά την πρώτη _ανάφλεξη_ να αρκεί μια μέση
κινητική ενέργεια της τάξης των 5 KeV για να συνεχιστεί η
διαδικασία της σύντηξης. Το επίπεδο όμως αυτό της κινητικής
ενέργειας απαιτεί θερμοκρασίες της τάξης των 58 εκατομμυρίων
βαθμών Κελσίου. Από την άλλη πλευρά, το σωματίδιο άλφα, προϊόν
της πρώτης _ανάφλεξης_, έχει κινητική ενέργεια 3.520 KeV, με
αποτέλεσμα η υπέρμετρη κινητικότητά του, να προκαλεί συνεχείς
συγκρούσεις του με πυρήνες δευτερίου και τριτίου, οπότε μέρος
της κινητικής ενέργειάς του μεταβιβάζεται στους πυρήνες του
δευτερίου και του τριτίου, ενισχύοντας τις συνθήκες διατήρησης
των θερμοκρασιών τους.
Οι φυσικοί λοιπόν αντιμετωπίζουν ένα σοβαρό πρόβλημα. Όχι μόνο
πρέπει να δημιουργήσουν θερμοκρασίες της τάξης των 100
εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, αλλά και να επινοήσουν έναν τρόπο
για να εγκλωβισθεί το υπερθερμασμένο αέριο μίγμα
δευτερίου-τριτίου που βρίσκεται στην κατάσταση του πλάσματος,
σε κάποιο είδος δοχείου. Εννοείται ότι με τις θερμοκρασίες
αυτές δεν είναι δυνατόν να υπάρξει συμβατικό δοχείο, αλλά μια
διάταξη μαγνητικών πεδίων. H δημιουργία όμως αυτής της
μαγνητικής φιάλης για τον εγκλωβισμό του πλάσματος και των
προϊόντων της σύντηξης παρουσιάζει εξαιρετικά σοβαρά
προβλήματα.
H ικανή και αναγκαία συνθήκη για να αποκτήσει το πλάσμα τη
δυνατότητα να συντηρεί τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις
σύντηξης, δηλαδή την ικανότητα ουσιαστικά της αυτανάφλεξης,
εκφράζεται μέσω μιας περιοριστικής παραμέτρου, του λεγόμενου
αριθμού Λόουσον (Lawson), ο οποίος συνδυάζει την πυκνότητα του
πλάσματος (σωματίδια ανά cm_) με το μέσο χρόνο διαρροών (σε
sec). Οι συνθήκες σύντηξης απαιτούν μια τιμή ίση με 3X1014.
Εάν η τιμή της παραμέτρου είναι μικρότερη, τότε η θερμοκρασία
του πλάσματος δεν είναι δυνατόν να διατηρηθεί χωρίς την παροχή
ενέργειας από εξωτερική βοηθητική πηγή ενέργειας. H σχέση αυτή
καθορίζεται από την τιμή Q, η οποία εκφράζει την αναλογία
μεταξύ της ενέργειας που παράγεται κατά τη σύντηξη προς την
ενέργεια που αναλώνεται για τη θέρμανση του πλάσματος. Κατά τη
στιγμή της ανάφλεξης η τιμή του Q τείνει προς το άπειρο. Οι
πεπερασμένες όμως τιμές του σημαίνουν ότι ο αντιδραστήρας
σύντηξης είναι ελεγχόμενος, δηλαδή ο ρυθμός της σύντηξης
εξαρτάται από τις εναλλαγές στην παροχή ενέργειας από την
εξωτερική βοηθητική πηγή, ενώ παράλληλα για τον εγκλωβισμό του
πλάσματος στον αντιδραστήρα έχουν προταθεί προς το παρόν δύο
λύσεις, που χαρακτηρίζονται σε αδρές γραμμές από το εάν οι
μαγνητικές γραμμές του πεδίου που συγκρατεί το πλάσμα είναι
κλειστές ή ανοικτές.
Στην περίπτωση των κλειστών γραμμών, ο χώρος που ορίζεται από
το μαγνητικό πεδίο είναι ένας δακτυλιοειδής θάλαμος, στον
οποίο κάθε σωματίδιο του πλάσματος παραμένει δεσμευμένο σε μια
κλειστή, σχεδόν κυκλική τροχιά που ακολουθεί κάποια από τις
μαγνητικές γραμμές. Ειδικότερα περιστρέφεται γύρω από τη
γραμμή καθώς κινείται κατά μήκος της, με αποτέλεσμα να
διαγράφει ελικοειδή κυκλική τροχία. Στις πρώιμες σχεδιάσεις,
μια διάταξη σπειρωμάτων γύρω από τον επιθυμητό θάλαμο, θα
παρήγαγε το μαγνητικό πεδίο, οπότε με την ανάφλεξη, η τιμή του
Q θα έτεινε προς το άπειρο, χωρίς περαιτέρω προσφορά
ενέργειας. Σε μια μεταγενέστερη σχεδίαση, μια διάταξη
σπειρωμάτων χρησιμοποιείται για την παραγωγή του μαγνητικού
πεδίου, αλλά παράλληλα το πλάσμα διαρρέεται και από ηλεκτρικό
ρεύμα, που ενισχύει το ήδη υπάρχον πεδίο. Στην πραγματικότητα,
μέρος των εξωτερικών σπειρωμάτων, αντικαθίσταται από σπείρωμα
που δρα κατά μια έννοια όπως το πρωτεύον σπείρωμα ενός
μετασχηματιστή συνεχούς ρεύματος, ενώ το πλάσμα αντιπροσωπεύει
τη μια και μοναδική σπείρα του δευτερεύοντος σπειρώματος.
Δυστυχώς ένας μετασχηματιστής συνεχούς ρεύματος δεν είναι
δυνατόν να διοχετεύει συνεχώς ρεύμα στο δευτερεύον διότι η
παροχή ρεύματος στο πρωτεύον θα πρέπει να αυξάνεται επ_
άπειρο. Συνεπώς ο μετασχηματιστής θα πρέπει περιοδικά να
απενεργοποιείται και ο κανόνας αυτός ισχύει φυσικά και για τον
αντιδραστήρα που θα ακολουθούσε αυτήν τη μέθοδο λειτουργίας.
Έχει υπολογισθεί θεωρητικά πως ο αντιδραστήρας είναι δυνατόν
να λειτουργεί με παλμούς παραγωγής ενέργειας διάρκειας 1000
sec, στους οποίους παρεμβάλλονται διακοπές 30 sec έως 60 sec.
Αυτή η ιδιομορφία συνεπάγεται την ύπαρξη συστήματος
αποθήκευσης ενέργειας ώστε να είναι δυνατή η συνεχής και
απρόσκοπτη λειτουργία των στροβίλων παραγωγής ηλεκτρικής
ενέργειας σε ένα θερμοπυρηνικό σταθμό σύντηξης. H σχεδίαση
αυτή έχει αποκληθεί tokamak (ρωσικό ακρωνύμιο των λέξεων
δακτυλιοειδής μαγνητικός θάλαμος), από τους Ρώσους φυσικούς
που την επινόησαν. Οι ρωσικοί αντιδραστήρες αυτού του τύπου
επιτυγχάνουν αριθμό Λόουσον της τάξης του 5X1011, δηλαδή 100
φορές μικρότερο περίπου από το επιθυμητό επίπεδο της σύντηξης.
H επιτυχία αυτών των πειραματικών αντιδραστήρων, θα οδηγήσει
σε εμπορικούς αντιδραστήρες παλμικής λειτουργίας, στους
οποίους όμως οι περιοδικές παύσεις θα επιβάλλουν σοβαρούς
περιορισμούς στη σχεδίαση πολλών απαρτιών, λόγω αυξημένης
κόπωσης των υλικών. Σχετικά πρόσφατα, αντί της μεθόδου του
μετασχηματιστή έχει προταθεί η διοχέτευση στο πλάσμα
πολυκατευθυντικής ραδιοσυχνότητας (RF) συχνότητας περίπου
3GHz. H ορμή αυτού του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, μπορεί να
μεταφερθεί στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του πλάσματος, ώστε να
υποχρεωθούν να ακολουθήσουν τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου,
δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Το ερώτημα στην περίπτωση αυτή
είναι το πώς θα συμπεριφερθεί η ραδιοσυχνότητα σε συνθήκες
σύντηξης. Θεωρητικές εκτιμήσεις υπολογίζουν τιμές του Q μεταξύ
10 και 20 για τους tokamak που θα λειτουργούν με τη μέθοδο της
ραδιοσυχνότητας και η τιμή 20 έχει ορισθεί σαν το επιθυμητό
όριο για τους εμπορικούς αντιδραστήρες σύντηξης.
Στην περίπτωση των ανοικτών γραμμών, η βασική σχεδίαση είναι ο
λεγόμενος μαγνητικός καθρέπτης. Μια εν σειρά διάταξη μαγνητών
δημιουργεί ένα πεδίο, το οποίο παρουσιάζει δύο μέγιστες τιμές
ισχύος. Κάθε μέγιστη τιμή ορίζει μια στενωπό, όπου οι
μαγνητικές γραμμές σχεδόν εφάπτονται. Για κάθε φορτισμένο
σωματίδιο που εγκλωβίζεται σε κάποια από τις μαγνητικές
γραμμές, η προσέγγισή του προς τις στενωπούς συνεπάγεται
διατήρηση της ενέργειας και της γωνιακής τους ορμής. Έτσι, η
ενέργεια και η παράλληλη κίνησή του προς το πεδίο,
μετατρέπεται σε ενέργεια και κάθετη κίνησή του προς το πεδίο.
H παράλληλη κίνηση είναι δυνατόν να αποκτά αντιστρεπτή
διεύθυνση πάνω στο φορέα της, ούτως ώστε το σωματίδιο να
παραμένει εγκλωβισμένο μεταξύ των δύο στενωπών. O μαγνητικός
καθρέπτης όμως δεν αντιπροσωπεύει την τέλεια μορφή μαγνητικής
φιάλης, διότι τα συνωθούμενα στις στενωπούς σωματίδια
αλληλοσυγκρούονται με αποτέλεσμα ορισμένα να διαφεύγουν και
ειδικά τα ηλεκτρόνια που χαρακτηρίζονται από την ταχύτατη
διασπορά τους. Το εναπομένον πλάσμα αναπτύσσει ένα θετικό
ηλεκτροστατικό δυναμικό, που αντιδρά στη ροή ηλεκτρονίων,
ούτως ώστε να εναρμονίζονται οι ροές ηλεκτρονίων και ιόντων.
Για να διατηρηθεί η επιθυμητή πυκνότητα των ιόντων, το πλάσμα
βομβαρδίζεται με ακτινοβολία ουδετέρων ατόμων, ενεργειακής
στάθμης της τάξης των 200 KeV. Τα ουδέτερα άτομα διασχίζουν το
μαγνητικό πεδίο, ιονίζονται και εγκλωβίζονται, συγκρουόμενα με
ηλεκτρόνια του πλάσματος. H τιμή του Q για τη σχεδίαση του
μαγνητικού καθρέπτη που διατηρεί την ισχύ του κατά τον τρόπο
αυτόν, ισούται δυστυχώς μόνον με 1. Εναλλακτικά είναι δυνατόν
να υπάρξουν δύο μαγνητικοί καθρέπτες, σχηματίζοντας μια
διάταξη μαγνητικών καθρεπτών. Τα μέγιστα της μαγνητικής ισχύος
δρουν σαν ηλεκτροστατική θωράκιση που παγιδεύει τα ιόντα
μεταξύ των δύο καθρεπτών, σε μια περιοχή χαμηλού σχετικά
δυναμικού. Μέσα στους μαγνητικούς καθρέπτες σχηματίζεται μια
ακόμη, χαμηλότερου δυναμικού περιοχή, που απομονώνει τα
ηλεκτρόνια των καθρεπτών από τα αντίστοιχα της μαγνητικής
φιάλης. Το φράγμα αυτό επιτρέπει τη θέρμανση των ηλεκτρονίων
των καθρεπτών, εγγίζοντας υψηλά ενεργειακά επίπεδα και
ενισχύοντας με τον τρόπο αυτόν τη μαγνητική ισχύ του καθρέπτη.
H θέρμανση επιτυγχάνεται μέσω ραδιοσυχνότητων (RF) συχνοτήτων
από 30GHz έως 100GHz, που αντιστοιχούν στις συχνότητες που
εφαρμόζονται στα κύκλοτρα, αντιπροσωπεύοντας τις συχνότητες με
τις οποίες τα ηλεκτρόνια ακολουθούν, περιστρεφόμενα ελικοειδώς
τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου στο πλάσμα. Για να
λειτουργήσουν οι μαγνητικοί καθρέπτες εν σειρά, απαιτείται
συνεχής παροχή ενέργειας και θεωρητικά η τιμή του Q κυμαίνεται
μεταξύ 10 και 30. Αξίζει να σημειωθεί πως τα φορτισμένα
σωματίδια που διαφεύγουν από τα άκρα της μαγνητικής φιάλης που
σχηματίζεται από τους μαγνητικούς καθρέπτες, είναι δυνατόν να
ανακτηθούν, αν καθοδηγηθούν σε διατάξεις, που κατά μια έννοια
αποτελούν το αντίστροφο των επιταχυντών σωματιδίων. H παραγωγή
ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της άμεσης αυτής μετατροπής,
συμπληρώνοντας την ενέργεια που παράγει ο αντιδραστήρας
σύντηξης, είναι δυνατόν να είναι κατά 50% αποτελεσματικότερη
από την αντίστοιχη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω
ατμοστροβίλων. Τέλος θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η τιμή του
Q για τους αντιδραστήρες μαγνητικών καθρεπτών (τους λεγόμενους
tandem mirror) φθάνει το 10, είναι δηλαδή υποδιπλάσια της
αντίστοιχης τιμής των tokamak.
_Οπως ήταν φυσικό, μετά την ολοκλήρωση των θεμελιωδών
σχεδιάσεων αντιδραστήρων σύντηξης, ακολούθησε (με αφετηρία το
1975) η επίπονη έρευνα για την επίλυση των μηχανολογικών
προβλημάτων που θα απέρρεαν από την καθαρά πρακτική πλέον
χρήση τους, με γνώμονα δύο βασικά κριτήρια. Το πρώτο αφορούσε
τον καθορισμό του μεγέθους των μηχανολογικών προβλημάτων και
το δεύτερο τον προσδιορισμό των φυσικών παραμέτρων που θέτουν
περιορισμούς στη μηχανολογική σχεδίαση.
Τα βασικά μηχανολογικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα
επικεντρώνονται στη δημιουργία και λειτουργία της μαγνητικής
φιάλης και είναι σχεδόν πανομοιότυπα για όλους τους τύπους.
Όλοι οι σχεδιασμοί προβλέπουν χρήση υπεραγώγιμων μαγνητών,
ώστε να περιορισθεί στο ελάχιστο δυνατόν η παροχή ενέργειας
για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου. Για έναν όγκο που
κυμαίνεται από 3.000m_ έως 10.000m_, η απαιτούμενη ισχύς
φθάνει τα 50.000 Gauss (η μέση τιμή ισχύος του γήινου
μαγνητικού πεδίου φθάνει περίπου τα 0,5 Gauss). Εάν λοιπόν δεν
χρησιμοποιηθούν υπεραγώγιμοι μαγνήτες, τότε η ενέργεια που
απαιτείται για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου, υπερβαίνει
σε μέγεθος την ενέργεια που δύναται να αποδώσει ο
αντιδραστήρας. H υπεραγωγιμότητα βέβαια αποτελεί μια ιδιότητα
που χαρακτηρίζει πολλά μέταλλα και κράματα και είναι γνωστό
πως κάτω από ένα επίπεδο θερμοκρασιών, ορισμένα υλικά
παρουσιάζουν μηδενική αντίσταση στη διέλευση του ηλεκτρικού
ρεύματος. Σε κράματα, όπως νιοβίου-τιτανίου (Nb-Ti/1:1) ή
νιοβίου-ψευδαργύρου (Nb-Zn/3:1), η υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται
κάτω από τους 20k (-253ψC). Τα κράματα διαμορφώνονται σε
ράβδους, οι οποίες σχηματίζουν κατά ομάδες πλοκάμους και
τοποθετούνται σε δικτύωμα χαλκού. O αγωγός που προκύπτει
τοποθετείται σε χάλκινο πλαίσιο, ώστε να σταθεροποιηθεί δομικά
και να διασφαλισθεί η λειτουργία του μαγνήτη, ακόμη και αν
προκληθεί απώλεια της υπεραγωγιμότητας του υλικού. Οι αγωγοί
εγκιβωτίζονται κατά στρώματα σε πλέγματα στηριγμάτων από
ανοξείδωτο χάλυβα, με ενδιάμεσα μονωτικά φύλλα και
τοποθετούνται σε ανοξείδωτο χαλύβδινο θερμομονωτικό δοχείο
Ντιούαρ (Dewar) ή σε ψυχόμενο δοχείο. H τυπική πυκνότητα του
ρεύματος που διαρρέει τους αγωγούς κυμαίνεται από 20.000 Α/cmύ
έως 40.000 Α/cmύ, ενώ σαν ψυκτικό υγρό προτείνεται υγρό ήλιο
(He), το οποίο βράζει στους 4,2k (-268,8ψ C). O επικρατέστερος
τρόπος ψύξης των αγωγών προβλέπει τη διέλευση του υγρού ηλίου
δια μέσου του πλέγματος των αγωγών, ώστε να παραμένουν συνεχώς
εμβαπτισμένοι στο ψυκτικό υγρό. H κατανάλωση ισχύος από ένα
ψυκτικό σύστημα σε αντιδραστήρα σύντηξης που θα παράγει
ηλεκτρική ενέργεια της τάξης του 1GW, είναι σχετικά μέτρια και
υπολογίζεται να φθάνει τα 10.000kW.
Δυστυχώς η σχεδιάση και κατασκευή των μαγνητικών διατάξεων,
αντιμετωπίζει σοβαρότατα δομικά προβλήματα. Τα υπεραγώγιμα
μαγνητικά σπειρώματα είναι δυνατόν να θεωρηθούν σαν μεγάλα
δοχεία υψηλής πίεσης, τα οποία περιέχουν τη μαγνητική ενέργεια
του πεδίου. Στους tokamak αλλά και τους tandem mirror, τα
επίπεδα αυτής της ενέργειας κυμαίνονται μεταξύ 50 Gjoule και
100 Gjoule. Κατά συνέπεια ασκούνται μεγάλες δυνάμεις και στο
επίπεδο των σπειρών, αλλά και κάθετα προς αυτό. Στους tokamak
λόγου χάρη, το δακτυλιοειδές πεδίο παράγεται από σπείρες σε
σχήμα D δια μέσου των οποίων διέρχεται το πλάσμα. Οι δυνάμεις
που ασκούνται στο επίπεδο δημιουργούν φόρτο 15.000 λιβρών ανά
τετραγωνική ίντσα, ενώ οι κάθετες δυνάμεις ποικίλλουν,
τείνοντας στη μετατόπιση των σπειρών. Στην περίπτωση που το
παραγόμενο μαγνητικό πεδίο φθάνει τα 10.000 Gauss ανακύπτουν
ακόμη σοβαρότερα προβλήματα, διότι η εναλλαγή του πεδίου
δημιουργεί δινορεύματα που μετατρέπονται σε θερμότητα
επιβαρύνοντας το ψυκτικό σύστημα. Στους tandem mirror δεν
είναι απαραίτητη η εναλλαγή του πεδίου αλλά στους tokamak
κρίνεται αναγκαία, εκτός αν είναι δυνατόν να φθάσει το πλάσμα
σε συνθήκες σύντηξης μέσω της προσβολής του από τη
ραδιοσυχνότητα.
Ένα δεύτερο ουσιαστικό μηχανολογικό πρόβλημα, κοινό για κάθε
προτεινόμενη μορφή μαγνητικής φιάλης (δηλαδή με κλειστές ή
ανοικτές μαγνητικές γραμμές), απορρέει από τη θέρμανση που
πλάσματος. Σε γενικές γραμμές η μέθοδος του μετασχηματιστή που
εφαρμόστηκε στους πρώτους πειραματικούς ρωσικούς tokamak
απεδείχθη ανεπαρκής. Οι δύο αποδεκτές πλέον τεχνικές
επικεντρώνονται στη χρήση ραδιοκυμάτων (RF) ή στην εκπομπή
ισχυρής ακτινοβολίας ουδετέρων ατόμων υψηλής ενέργειας.
H θέρμανση μέσω ραδιοκυμάτων επιτυγχάνεται όταν
ηλεκτρομαγνητικά ή ηλεκτροστατικά κύματα μετατρέπονται σε
θερμική ενέργεια με αλληλεπίδραση συντονισμού μεταξύ των
κυμάτων και των σωματιδίων του πλάσματος. Μέχρι στιγμής έχουν
προταθεί τρεις κατάλληλες ζώνες συχνοτήτων. H πρώτη κυμαίνεται
από 50MHz έως 100MHz και αποτελεί τη ζώνη που αντιστοιχεί στις
συχνότητες κυκλότρου ιόντων ή κάποιων αρμονικών τους. H
δεύτερη κυμαίνεται από 1GHz έως 3GHz και είναι η ζώνη που
αντιστοιχεί στις συχνότητες ροής της πυκνότητας των ιόντων του
πλάσματος. H τρίτη κυμαίνεται από 50GHz έως 100GHz,
αντιστοιχώντας στις συχνότητες κυκλότρου ηλεκτρονίων.
Ουσιαστικά όλα τα συστήματα θέρμανσης με ραδιοκύματα είναι
σταθμοί εκπομπής. Περιλαμβάνουν πηγή ραδιοκυμάτων, ενισχυτή,
γραμμή μετάδοσης και διάταξη εκπομπής στο τοίχωμα ή μέσα στο
θάλαμο του πλάσματος. H πηγή και ο ενισχυτής μπορεί να είναι
λυχνία, κλύστρον ή μέιζερ, ανάλογα με την επιδιωκόμενη ζώνη
συχνοτήτων εκπομπής. H γραμμή μετάδοσης είναι ένα ομοαξονικό
καλώδιο ή ένας κυματοδηγός, ενώ η διάταξη εκπομπής είναι μια
κεραία ή ένας κυματοδηγός. H διάταξη εκπομπής θα πρέπει να
ενισχυθεί για να αντιμετωπισθεί η πιθανή φθορά της από το
βομβαρδισμό της με νετρόνια ή ισχυρές ακτινοβολίες. Επιπλέον
είναι απαραίτητη η δημιουργία διηλεκτρικής θυρίδας στη γραμμή
μετάδοσης, ώστε να επιτραπεί η διέλευση των κυμάτων, με
παράλληλη ανακοπή του ραδιενεργού τριτίου που τείνει να
εισχωρεί στη γραμμή και να κατακλύζει το σύστημα.
H θέρμανση μέσω ισχυρής ακτινοβολίας με δέσμες ουδετέρων
σωματίων (ατόμων ή μορίων), αποτελεί την εναλλακτική λύση
θέρμανσης του πλάσματος και σε σχεδιάσεις μαγνητικής φιάλης,
όπως οι tandem mirror κρίνεται απαραίτητη. Τα ουδέτερα σωμάτια
διασχίζουν ανενόχλητα το μαγνητικό πεδίο του αντιδραστήρα και
ιονίζονται συγκρουόμενα με τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα του
πλάσματος. Το πλάσμα θερμαίνεται καθώς τα ταχέα πλέον νέα αυτά
ιόντα επιβραδύνονται μέσω συνεχών συγκρούσεων. Οι δέσμες στην
αρχική φάση τους είναι πλάσμα που παράγεται από γεννήτρια
πλάσματος RF ή από υψηλής ενέργειας ηλεκτρικές εκκενώσεις.
Τυπικά είναι ιονισμένα άτομα υδρογόνου και δευτερίου με μίγμα
διατομικών και τριατομικών ιονισμένων μορίων. Το πλάσμα αυτό
που παράγεται από εξωτερική πηγή επιταχύνεται σε ένα ή
περισσότερα στάδια με τη διέλευσή του από σειρά μεταλλικών
πλεγμάτων που ψύχονται συνεχώς και δεν παραμορφώνουν τη δέσμη.
O σκοπός είναι να παραχθούν σωμάτια που κινούνται σε
παράλληλους φορείς με την αυτή ταχύτητα.
Τα σωμάτια καθίστανται ηλεκτρικά ουδέτερα, διερχόμενα μέσα από
θάλαμο που περιέχει ψυχρό ουδέτερο αέριο υδρογόνου ή
δευτερίου. Τα ιονισμένα σωμάτια συλλέγουν ηλεκτρόνια από το
αέριο με μια διαδικασία που χαρακτηρίζεται σαν αντίδραση
ανταλλαγής. Τα άτομα του ψυχρού αερίου που ιονίζονται
συγκεντρώνονται στα τοιχώματα του θαλάμου και συλλέγονται.
Παράλληλα η κύρια δέσμη κατευθύνεται σε καθοδικό σωλήνα, όπου
τα υπόλοιπα ιόντα ανακλώνται με μαγνήτη και η δέσμη των
ουδετέρων πλέον ατόμων διασχίζει το μαγνητικό πεδίο του
αντιδραστήρα και διεισδύει στο πλάσμα.
H τεχνική των συστημάτων ακτινοβολίας ουδετέρων ατόμων
παρουσιάζει προβλήματα διότι έχει να αντιμετωπίσει το
συνδυασμό υψηλών σταθμών ενέργειας, ισχύος και εντάσεως του
ηλεκτρικού ρεύματος. Για να διεισδύσει μια δέσμη ακτινοβολίας
στο πλάσμα οφείλει να αποκτήσει ενέργεια της τάξης των 100kV
έως 200kV. Παράλληλα η δέσμη αυτή πρέπει να αποδώσει θέρμανση
ανάλογη της ισχύος 100MW, ενώ η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος
εγγίζει τα 500A, με πυκνότητα 1Α/cmύ. Οι απαιτήσεις αυτές
είναι υπερβολικές, αν συγκριθούν με τις ανάλογες των
εργαστηριακών επιταχυντών σωματίων, όπου στα επίπεδα ενέργειας
της τάξης των 200kV, η ένταση του ρεύματος μόλις φθάνει το
1X10-3A. H σταδιακή εξέλιξη των συστημάτων αυτών έχει οδηγήσει
σε διατάξεις όπου για 30sec σε ενεργειακό επίπεδο 100kV
επιτυγχάνεται απόδοση 10.000 kW (0,001MW). H θερμότητα που
αποδίδεται στο πλάσμα από την εξωτερική αυτή πηγή, απάγεται
συνοδευόμενη από τη θερμότητα που έχουν μεταδόσει τα σωματίδια
_-α_ στο πλάσμα. Έχει υπολογισθεί πως για έναν αντιδραστήρα
σύντηξης που μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια της τάξης
του 1,2 GW, θα πρέπει να αναλωθεί για τη θέρμανση του
πλάσματος ενέργεια της τάξης των 0,5 GW έως και 1 GW. Είναι
λοιπόν προφανείς οι δυσχέρειες που ανακύπτουν για τα δομικά
υλικά που θα χρησιμοποιηθούν στην εγκατάσταση του περιβλήματος
του πλάσματος.
Οι απώλειες θερμότητας είναι δυνατόν να λάβουν πολλές μορφές.
Το πλάσμα ακτινοβολεί ενέργεια (κυρίως με μορφή ακτίνων-γ),
ενώ εναπομείναντα άτομα είναι δυνατόν να εντείνουν αυτήν την
εκπομπή ακτινοβολιών. Κατά συνέπεια είναι απαραίτητο να
διατηρηθεί _καθαρό_ το πλάσμα ώστε αφενός μεν να μην ενταθεί η
θερμική ακτινοβολία και αφετέρου να περιορισθεί η φθορά του
πρώτου τοιχώματος (η εσωτερική επιφάνεια του δοχείου που
περικλείει το πλάσμα) και των διατάξεων που θα υπάρχουν μέσα
σ_ αυτό. Στους tandem mirror τα φορτισμένα σωματίδια που
διαφεύγουν από τα άκρα της μαγνητικής φιάλης, είναι δυνατόν να
εγκλωβισθούν σε σημεία που απέχουν αρκετά από τη φιάλη. Στους
tokamak η κατάσταση διαφοροποιείται αισθητά, καθώς τα
φορτισμένα σωματίδια που κινούνται φυγοκεντρικά προς τα
τοιχώματα, αντιπροσωπεύουν μεγάλες απώλειες ενέργειας. Τα
σωματίδια αυτά είναι δυνατόν να αντιδράσουν χημικά με ένα
συλλέκτη, δηλαδή μια ειδικά σχεδιασμένη διάταξη, προορισμένη
να αντέχει σε θερμικές επιβαρύνσεις της τάξης των 10ΜW/mύ. O
συλλέκτης θα πρέπει να τοποθετηθεί στο πρώτο τοίχωμα (το
εσωτερικό) ώστε να έλθει σε επαφή με το πλάσμα. Ορισμένοι
προτείνουν τη δημιουργία ειδικού μαγνητικού πεδίου, το οποίο
προκαλώντας παρέκκλιση στις τροχιές των σωματιδίων, να τα
καθοδηγεί σε περιοχή εγκλωβισμού, όπου η ακτινοβολούμενη
θερμότητα θα απάγεται από θερμοσυλλεκτικά φύλλα, οπότε θα
ελαχιστοποιείται η κυκλοφορία αυτών των σωματιδίων,
συνεισφέροντας στην _καθαρότητα_ του πλάσματος. Το πρόβλημα
συνεπώς της φθοράς των εσωτερικών τοιχωμάτων, ελέγχεται από το
συλλέκτη, ο οποίος είναι δυνατόν να αποτελεί μια ειδική
κατασκευή, αντί του προαναφερθέντος μαγνητικού πεδίου.
Εξαίρετο υλικό θεωρήθηκε αρχικά ο γραφίτης (άνθρακας) που
παρουσιάζει χαμηλό ατομικό αριθμό (η ακτινοβολία σωματιδίων
από το πλάσμα τείνει να ενταθεί με την άνοδο του ατομικού
αριθμού). O γραφίτης όμως αντιδρά χημικά με το υδρογόνο και
για το λόγο αυτόν έχει προταθεί το καρβίδιο του πυριτίου ή το
καρβίδιο του τιτανίου για την επικάλυψη της κατασκευής, καθώς
αντέχουν και στις θερμικές επιβαρύνσεις και στους
βομβαρδισμούς ακτινοβολιών ιόντων.
Αξίζει να αναρωτηθεί κανείς στο σημείο αυτό, προς τί οι
εξαντλητικές έρευνες μιας ολόκληρης σχεδόν πεντηκονταετίας,
όταν το μέγεθος των προβλημάτων που παρουσιάζει για τον
άνθρωπο η ελεγχόμενη σύντηξη, καθιστούν την υλοποίηση αυτής
της προσπάθειας, ένα όραμα που εγγίζει τα όρια της χίμαιρας. H
απάντηση έγκειται στο γεγονός ότι καμιά άλλη μέχρι στιγμής
τεχνολογική επινόηση δεν είναι δυνατόν να αποδώσει ανάλογα
ποσά ενέργειας.
Κατά τη στιγμή της σύντηξης μεταξύ δευτερίου-τριτίου, μόνον το
20% της εκλυόμενης ενέργειες μεταφέρεται από ένα σωματίδιο-α.
Το υπόλοιπο 80% μεταφέρεται σε ένα νετρόνιο ενεργειακής
στάθμης 14MeV, το οποίο ως ηλεκτρικά ουδέτερα φορτισμένο,
διαφεύγει χωρίς πρόβλημα από το πλάσμα, διεισδύει στο πρώτο
τοίχωμα και εν συνεχεία στην επικάλυψή του, η οποία επιτελεί
διττή λειτουργία.
Κατά πρώτον η επικάλυψη ανακτά την ενέργεια του νετρονίου,
καθώς η τυπική συμπεριφορά νετρονίου ενέργειας 14MeV, είναι να
διασχίζει αποστάσεις περίπου 10cm μεταξύ των αλλεπάλληλων
συγκρούσεών του με τους πυρήνες υγρών και στερεών. Σε κάθε
σύγκρουση το νετρόνιο αντιμετωπίζει απώλειες ενέργειας, οι
οποίες μετατρέπονται σε θερμότητα. H θερμότητα αυτή μπορεί να
απαχθεί με ένα ψυκτικό μέσον που διαρρέει την επικάλυψη και
είναι δυνατόν να συνδέεται με μια συμβατική εγκατάσταση
παραγωγής ενέργειας, που περιλαμβάνει απαγωγείς θερμότητας,
γεννήτριες ατμού και στροβίλους. Είναι επίσης δυνατόν το
νετρόνιο να απορροφηθεί από κάποιον πυρήνα, καθιστώντας το
αντίστοιχο άτομο σταθερό ή ραδιενεργό. H ροή των νετρονίων
διατηρείται σε κάποια απόσταση από το πρώτο τοίχωμα, με
αποτέλεσμα η επικάλυψη να απαιτεί πάχος 60cm έως 80cm.
Νετρόνια που πιθανώς διαφεύγουν και από την επικάλυψη,
συλλαμβάνονται από την ειδική θωράκιση, που έχει σχεδιαστεί
για να προστατεύσει κυρίως τους υπεραγώγιμους μαγνήτες από τις
ακτινοβολίες και την έκλυση θερμότητας. H δεύτερη λειτουργία
της επικάλυψης αφορά την παραγωγή καυσίμου για τον
αντιδραστήρα. Το δευτέριο βέβαια υπάρχει σε σχετική αφθονία
στο νερό, αλλά το τρίτιο είναι ραδιενεργό με διάρκεια
υποδιπλασιασμού 12,35 έτη και ως εκ τούτου σπανιότατο. Ευτυχώς
είναι δυνατόν να αναπαραχθεί εύκολα. Ειδικότερα, τα νετρόνια
ενέργειας 14MeV που απελευθερώνονται κατά τη σύντηξη, είναι
δυνατόν να αποτελέσουν την αφετηρία πυρηνικών αντιδράσεων με
τα ισότοπα του λιθίου Li-6 και Li-7. Σχεδόν όλα τα ελεύθερα
νετρόνια, ανεξάρτητα από την ενεργειακή τους στάθμη, δύνανται
να προκαλέσουν τη σχάση του Li-6 σε τρίτιο και ήλιο (He), ενώ
κάθε νετρόνιο ενεργειακής στάθμης υψηλότερης των 2,87 MeV
προκαλεί σχάση του Li-7 σε τρίτιο και ήλιο (He),
απελευθερώνοντας παράλληλα και ένα αργό νετρόνιο. O ρυθμός
αναπαραγωγής (δηλαδή η ποσότητα του αναπαραγόμενου τριτίου ως
προς το τρίτιο που αναλώνεται) εξαρτάται από τις λεπτομέρειες
της σχεδιάσης του αντιδραστήρα, αλλά είναι εξαιρετικά υψηλός,
φθάνοντας μέχρι και 1,5.
H επικάλυψη συνεπώς του πρώτου τοιχώματος περιλαμβάνει την
καθαρά δομική κατασκευή, το ψυκτικό μέσο και το υλικό
αναπαραγωγής τριτίου. Για τη δομική κατασκευή προτείνονται
ανοξείδωτοι χάλυβες, χάλυβες υψηλής περιεκτικότητας σε
μαγγάνιο και κράματα βαναδίου. Για το ψυκτικό μέσον
προτείνονται νερό, αέρια (όπως το ήλιο) ή υγρά μέταλλα. Τα
υγρά μέταλλα μπορεί να είναι ήλιο και κράματα λιθίου-μολύβδου
ή άλλων ευτήκτων μετάλλων. Το υγρό λίθιο θεωρείται σχεδόν
ιδανικό λόγω του χαμηλού σημείου τήξης του (186ψC), της
εξαιρετικής θερμικής του αγωγιμότητας και της χημικής του
συμβατότητας με πολλά κράματα. Επιπλέον αποτελεί και υλικό
αναπαραγωγής τριτίου.
H ανάκτηση του τριτίου είναι δυνατή μέσω της πλευρικής ροής
του υγρού λιθίου. Εμφανίζεται με τη μορφή τριτιδίου του λιθίου
και μια απλή μέθοδος ανάκτησης είναι να έλθει σε επαφή με
μίγμα υγρών αλάτων όπως φθοριούχου λιθίου, βρωμιούχου λιθίου
και χλωριούχου λιθίου. Το τριτίδιο του λιθίου τείνει να
διαχυθεί μέσα στο μίγμα, αλλά διαχωρίζεται εύκολα, καθώς είναι
χονδρικά τέσσερις φορές ελαφρότερο και ανακτάται με
ηλεκτρόλυση. H όλη διαδικασία αποτελεί μια απλοποίηση της
μεθόδου επεξεργασίας με υγρά άλατα που έχει αναπτυχθεί για τον
καθαρισμό των ανακτώμενων _καυσίμων_ της σχάσης σε
αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες.
Για την παραγωγή του τριτίου είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν
εναλλακτικά, κεραμικά υλικά, όπως το διοξείδιο του λιθίου
(Li4O2) το διοξείδιο του αλουμινιδίου του λιθίου (LiAlO2) και
το διοξείδιο του πυριτιδίου του λιθίου (LiSiO2). Τα
πλεονεκτήματα των υλικών αυτών είναι ότι περιορίζουν την
ποσότητα του λιθίου στον αντιδραστήρα, παρουσιάζοντας
παράλληλα ιδιαίτερη χημική σταθερότητα. Από την άλλη πλευρά
όμως είναι δύσκολο να διατηρηθεί ρυθμός αναπαραγωγής
μεγαλύτερος του 1. Στο διοξείδιο του αλουμινιδίου του λιθίου,
τα άτομα του αλουμινίου και του οξυγόνου τείνουν να απορροφούν
νετρόνια, οπότε απαιτείται και πολλαπλασιαστής νετρονίων,
δηλαδή μια διάταξη στην αρχή της επικάλυψης, ακριβώς πίσω από
το πρώτο τοίχωμα, που μέσω πυρηνικών αντιδράσεων μετατρέπει
κάθε ταχύ νετρόνιο σε δύο βραδέα. Ενδεικνυόμενα υλικά για τη
διάταξη αυτή αποτελούν το βηρύλλιο και ο μόλυβδος. H ανάκτηση
του τριτίου από κεραμικό υλικό είναι δυσχερής, διότι απαιτεί
απόσπασή του από στερεό σώμα. O τυπικός ρυθμός απόσπασης είναι
χαμηλός και για το λόγο αυτό θεωρείται σκόπιμος ο
κατακερματισμός του υλικού σε μικροσκοπικούς κόκκους, μεγέθους
10-3 mm. Επιπλέον το κεραμικό για να διατηρηθεί σε κόκκους δεν
θα πρέπει να συντήκεται σε θερμοκρασίες που εγγίζουν ή και
υπερβαίνουν τους 1000ψC. Το τρίτιο τελικά αποσπάται με
ορμητική ροή αερίου ηλίου, που διέρχεται μέσα από τους
κόκκους.
Αρκετά προβλήματα ανακύπτουν για τα δομικά στοιχεία ενός
αντιδραστήρα σύντηξης, όταν πλέον έχει τεθεί σε λειτουργία και
ένα από τα σοβαρότερα αποτελεί η ισχυρή ακτινοβολία των
νετρονίων. Όταν λόγω σύγκρουσης ένα νετρόνιο επιβραδύνεται ή
απορροφάται από τον πυρήνα ενός ατόμου, τότε ένα ποσόν από την
ολική του ενέργεια μεταφέρεται στο άτομο, το οποίο
μετακινείται προκαλώντας αλλεπάλληλες και μόνιμες μετατοπίσεις
στα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού. Οι
μετατοπίσεις δημιουργούν οπές που είναι δυνατόν να εξελιχθούν
σε κενά, εκτός εάν χρησιμοποιηθεί κάποιο σταθεροποιητικό
αέριο. Ευτυχώς στα μεταλλικά υλικά ενός αντιδραστήρα σύντηξης
παράγονται αέρια, όπως λόγου χάρη υδρογόνο και ήλιο, από την
αλληλεπρίδαση νετρονίων ενεργειακής στάθμης 5MeV με άτομα
μετάλλων. Με την αλληλεπίδραση αυτή τα άτομα μετατρέπονται σε
ραδιενεργά ισότοπα των ιδίων ή ακόμα και διαφορετικών
στοιχείων. Το αποτέλεσμα των μεταβολών αυτών εμφανίζεται σαν
αύξηση του βαθμού σκληρότητας των μεταλλικών υλικών με
παράλληλη απώλεια της ελατότητας και της ολκιμότητας.
H ροή των νετρονίων ενεργειακής στάθμης 14MeV μετράται σε MW
ανά mύ. Μια ροή 4X1017 νετρονίων ανά mύ και ανά sec,
αντιπροσωπεύει για το πρώτο τοίχωμα επιβάρυνση της τάξης του
1ΜW/mύ. Στην πραγματικότητα η επιβάρυνση σε συνθήκες
λειτουργίας κυμαίνεται από 3ΜW/mύ έως 5ΜW/mύ. Είναι δυνατόν να
υπολογισθεί σε ετήσια βάση το πόσες φορές θα μετατοπισθούν τα
άτομα του μεταλλικού υλικού του πρώτου τοιχώματος για κάθε
ΜW/mύ επιβάρυνσης και ο αριθμός είναι πράγματι εντυπωσιακός.
Σε ένα τοίχωμα από ανοξείδωτο χάλυβα τα άτομα θα μετατοπισθούν
στο κρυσταλλικό πλέγμα από 20 έως και 30 φορές. Ευτυχώς λόγω
του ότι τα άτομα ηρεμούν κάθε φορά σε κάποιες θέσεις, το
μέταλλο δεν μετατρέπεται σε ρευστό. Παράλληλα η επιβάρυνση
αυτή γίνεται αιτία να παραχθούν περίπου 150 άτομα ηλίου και
500 άτομα υδρογόνου ανά εκατομμύριο ατόμων χάλυβα.
Μετά από εντατικά πειράματα σε κράματα που περιέχουν νικέλιο,
διαπιστώθηκε ότι η φθορά λόγω της συνεχούς ακτινοβολίας στο
πρώτο τοίχωμα και την επικάλυψη, επιβάλλει την αντικατάστασή
τους μετά την πάροδο 3 έως 6 ετών, καθώς τα υλικά χάνουν τις
βασικές τους ιδιότητες (βαθμός σκληρότητας, ελατότητα,
ολκιμότητα).
Στους tokamak αλλά και στους tandem mirror, ο ρυθμός διαρροών
του θερμοπυρηνικού καυσίμου είναι 10 έως 20 φορές μεγαλύτερος
από το ρυθμό ανάλωσης. Το γεγονός αυτό καθιστά επιτακτική την
ανάγκη ανάκτησης και ανακύκλωσης των μη αναλούμενων καυσίμων.
Έτσι, ο ρυθμός άντλησης πρέπει να φθάνει από 1X106 lt/sec,
δημιουργώντας υποπίεση 10-7 at. Για το λόγο αυτό
χρησιμοποιούνται κρυογονικές αντλίες.
Οι κρυογονικές αντλίες περιλαμβάνουν μια διάταξη μοριακής
πλεγμάτων που ψύχονται με υγρό ήλιο θερμοκρασίας 4k. Τα
πλέγματα περιβάλλονται από πλαίσια που ψύχονται με υγρό άζωτο
θερμοκρασίας 77k. Τα δραστικά αέρια, όπως το υδρογόνο και τα
ισότοπά του δευτέριο (D) και τρίτιο (T) συμπυκνώνονται στα
πλέγματα, ενώ τα λιγότερο δραστικά, όπως το οξυγόνο, το άζωτο
και το μεθάνιο απορροφώνται από τα πλαίσια. Το ήλιο είναι
δυνατόν να εγκλωβισθεί, αν η αντλία ψεκάζεται με υγρό αργόν
(Ar), καθώς το αργόν παγιδεύει το ήλιον υπερκαλύπτοντάς το. Οι
κρυογονικές αντλίες εμφανίζουν μεν το πλεονέκτημα των υψηλών
ρυθμών άντλησης, αλλά απαιτούν συχνό καθαρισμό, καθώς
συγκρατούν διάφορα αέρια. Επιπλέον οι υποπιέσεις επιτρέπουν
την παραμονή υπολοίπων τριτίου στον αντιδραστήρα. Τα
προβλήματα αυτά έχουν οδηγήσει στη μελέτη μαγνητικών διατάξεων
παράκαμψης και αντλιοσυλλεκτών που λειτουργούν με υποπιέσεις
10-5 At στην πρώτη φάση της διαδικασίας άντλησης, ώστε να
είναι δυνατή η εν συνεχεία λειτουργία των αντλιών που δεν
εγκλωβίζουν καύσιμο.
Από τη στιγμή λοιπόν που η ροή καθαρίζεται από στοιχειώδη
_ακάθαρτα_ στοιχεία (όπως τα κατάλοιπα του ηλίου που
παράγονται κατά τις αντιδράσεις σύντηξης), καθίσταται
αναγκαίος ο διαχωρισμός του δευτερίου και του τριτίου που δεν
έχουν αναλωθεί, ώστε να συνδυασθούν στην κατάλληλη αναλογία με
το τρίτιο που ανακτάται από την επικάλυψη. O διαχωρισμός
γίνεται με _απόσταξη_ σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. χάρη στη
διαφοροποίηση των σημείων βρασμού των H2, HD, D2, HT, DT, T2.
Το λιγότερο δραστικό H2 παρουσιάζει σημείο βρασμού στους
20,39k και το πλέον δραστικό T2 στους 25,04k. H όλη διαδικασία
παρότι απλή, απαιτεί τουλάχιστον 60 στάδια, ώστε να
επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα.
Το μίγμα δευτερίου-τριτίου που σχηματίζεται, πρέπει να
επανεισαχθεί στο πλάσμα και ο απλούστερος τρόπος είναι η
έγχυσή του στην περιφέρεια του πλάσματος, όπου απορροφάται μεν
αμέσως, αλλά τα άτομα, όταν ο αντιδραστήρας λειτουργεί,
διανύουν μόλις 10cm από την περίμετρο της φιάλης, πριν
ιονισθούν. Έτσι, η επανεισαγωγή απαιτεί τουλάχιστον 10 ή και
περισσότερες διατάξεις σε διαφορετικά σημεία της περιμέτρου
του πλάσματος με ειδικά στόμια και βαλβίδες ταχείας έγχυσης,
με χρόνο έγχυσης 50 έως 100 millisec κάθε φορά.
Μια εναλλακτική λύση είναι η εκτόξευση στο πλάσμα παγωμένων
σφαιριδίων καυσίμου. Κάθε σφαιρίδιο σχηματίζεται σε
θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο πήξης του δευτερίου
(18,73k) και τριτίου (20,62k) και βάλλεται με υψηλή ταχύτητα
στο θάλαμο του πλάσματος, όπου επικρατεί θερμοκρασία πολλών
δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών. Κάθε σφαιρίδιο έχει διάμετρο 2mm
έως 4mm και περιέχει περίπου το 10% έως 15% του συνολικού
αριθμού των ατόμων του καυσίμου, που βρίσκονται κατά τη στιγμή
της εισόδου του διασκορπισμένα στο πλάσμα. Τα σφαιρίδια
επιταχύνονται ώστε να αποκτήσουν ταχύτητα 2000 m/sec και
βάλλονται με ρυθμό 10 έως 20 σφαιρίδια ανά sec.
Μέχρι στιγμής έχουν επινοηθεί δύο μέθοδοι βολής των
σφαιριδίων. H πρώτη βασίζεται στη φυγοκεντρική έγχυση και
χρησιμοποιεί ένα δίσκο που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα,
στον οποίο έχουν τοποθετηθεί δύο σωλήνες σε σχήμα U. Μια
γραμμή τροφοδοσίας που ψύχεται από υγρό ήλιο καταλήγει στο
άκρο κάθε σωλήνα, όπου μηχανισμός αποκοπής, κατατέμνει το
παγωμένο καύσιμο σε σφαιρίδια, τα οποία λόγω της υψηλής
περιστροφικής ταχύτητας του δίσκου εκτοξεύονται σχεδόν
ακαριαία στο πλάσμα. Πειραματικά έχουν επιτευχθεί ταχύτητες
290 m/sec.
H δεύτερη βασίζεται στην απλή τεχνική του αεροβόλου σωλήνα και
επιτυγχάνει ταχύτητες 1000 m/sec σε σφαιρίδια διαμέτρου 1mm.
Αποτελείται από ένα δίσκο με χάλκινο πλαίσιο που διαθέται οπές
διαμέτρου 1mm και ψύχεται από υγρό ήλιο. Το αέριο καύσιμο
παγώνει και εγκλωβίζεται με μορφή σφαιριδίων στις οπές, ενώ με
την περιστροφή του δίσκου κάθε οπή ευθυγραμμίζεται διαδοχικά
(όπως ο μύλος του περιστρόφου) με βαλβίδα ακαριαίας
λειτουργίας η οποία αποτελεί το άκρο αεροβόλου σωλήνα μήκους
16cm. H βαλβίδα απελευθερώνει αέριο ήλιο, που έχει συμπιεσθεί
σε πίεση 20 At, το οποίο ωθεί το σφαιρίδιο. Οι επιδόσεις
βελτιώνονται με αύξηση του μήκους του σωλήνα και χρήση
υδρογόνου αντί ηλίου, ώστε η τελική ταχύτητα των σφαιριδίων να
φθάσει τα 2000 m/sec έως 5000 m/sec.
Λόγω του ότι το τρίτιο είναι δυστυχώς ραδιενεργό, ολόκληρος ο
κύκλος κυκλοφορίας του καυσίμου απαιτεί ειδική προστασία, της
οποίας η απόδοση υπολογίζεται απλά. Το απόθεμα τριτίου στον
αντιδραστήρα φθάνει τα 10kgr, ακτινοβολώντας 100X106 Cu (1 Cu
αντιστοιχεί στην ενέργεια που αποδίδεται από 30X107
υποδιπλασιασμούς ανά sec ενός ραδιενεργού στοιχείου). Έχει
υπολογισθεί πως το όριο ασφαλείας θα πρέπει να μην υπερβαίνει
σε ημερήσια βάση το 1Cu έως 10Cu, δηλαδή η διαρροή του τριτίου
να περιορίζεται στο 1 μέρος ανά 100 εκατομμύρια (0,00000001%).
H προστασία του χώρου του αντιδραστήρα από τη ραδιενεργό
ακτινοβολία επιτυγχάνεται σε τρία επίπεδα. Το πρώτο επίπεδο
αφορά τα δομικά στοιχεία στα οποία κυκλοφορεί το τρίτιο, όπως
οι αγωγοί. Το δεύτερο αφορά διατάξεις που περιβάλλουν δομικά
στοιχεία του πρώτου. Οι αγωγοί κυκλοφορίας του τριτίου λόγου
χάρη είναι δυνατόν να εμπεριέχονται σε ευρύτερης διαμέτρου
σωληνώσεις και οι μηχανισμοί σε ειδικά δοχεία. Το τρίτο
επίπεδο αφορά το χώρο του αντιδραστήρα, τα σημεία αναπαραγωγής
τριτίου και ούτω καθ_ εξής. Σε κάθε επίπεδο προβλέπεται
αυτόνομο σύστημα περισυλλογής τριτίου. Υπολογίζεται ότι η
περισυλλογή τριτίου που προέρχεται από διαρροές της τάξης του
1 kg απαιτεί περίπου 24 ώρες.
Υπάρχει μια ακόμη πηγή ραδιενεργού ακτινοβολίας και αυτή είναι
φυσικά ο ίδιος ο αντιδραστήρας και ειδικά το πρώτο τοίχωμα, η
επικάλυψή του και η θωράκιση που υφίστανται το συνεχή
βομβαρδισμό των νετρονίων. H φύση και η ένταση της
ακτινοβολίας εξαρτάται δευτερογενώς από τα υλικά που θα
χρησιμοποιηθούν. Είναι χρήσιμο στο σημείο αυτό να λάβει κανείς
υπ_ όψη του το δείκτη BHP (Biological Hazard Potential –
Πιθανός Βιολογικός Κίνδυνος), ο οποίος αντιπροσωπεύει την
αναλογία μεταξύ της πραγματικής έκλυσης ραδιενέργειας (Cu ανά
μονάδα όγκου) προς το αποδεκτό όριο ασφαλείας. Όλα τα υλικά
ενός αντιδραστήρα σύντηξης οφείλουν να παρουσιάζουν δείκτη BHP
ίσο προς το 0,01 του αντίστοιχου των αντιδραστήρων σχάσης.
Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει το ζήτημα των αποβλήτων που στην
προκειμένη περίπτωση αποτελούνται κυρίως από υλικά που
φθείρονται λόγω ακτινοβολιών και αντικαθίστανται. Σε αδρές
γραμμές τα υλικά αυτά έχουν ομαδοποιηθεί σε τρεις κατηγορίες
(A, B, C). H κατηγορία A χαρακτηρίζει υλικά που μετά από 10
χρόνια ενταφιασμού η έκλυση ραδιενέργειας περιορίζεται σε όρια
ασφαλείας. Στην κατηγορία B ανήκουν υλικά που απαιτούν
ενταφιασμό σε ειδικούς χώρους για 100 χρόνια, έως ότου η
ακτινοβολία τους εκφυλισθεί σε επίπεδα ασφαλείας. Τέλος στην
κατηγορία C εντάσσονται υλικά που απαιτούν 500 χρόνια
ενταφιασμού υπό ειδικές συνθήκες σε φυλασσόμενους χώρους.
Στους αντιδραστήρες σύντηξης είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί
πληθώρα υλικών κατηγορίας A. Ορισμένες όμως διατάξεις που
κατασκευάζονται από χάλυβες που περιέχουν μαγγάνιο και χρώμιο
εντάσσονται στην κατηγορία C. Είναι δυνατόν οι ίδιες διατάξεις
να κατασκευασθούν από τιτάνιο, βανάδιο, κράματα αλουμινίου,
κεραμικά υλικά όπως γραφίτη και καρβίδιο του πυριτίου, οπότε
μεταπίπτουν στην κατηγορία B. Είναι πολύ πιθανόν στο μέλλον να
δημιουργηθούν ισότοπα υλικών σε καθαρή μορφή, χωρίς να
μεσολαβεί μεταβολή των μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων τους.
Υπάρχουν λόγου χάρη ισότοπα του μολυβδενίου (Mo), που
αντιδρούν με νετρόνια (τα ισότοπα Μο92, Μο94 και Μο100),
μεταπίπτοντας σε ραδιενεργά υλικά κατηγορίας C. Εάν όμως αντί
για τα ισότοπα αυτά χρησιμοποιηθούν τα Mo95, Mo96 και Μο97,
τότε τα κράματα αυτών των ισοτόπων με χάλυβες αποτελούν υλικά
κατηγορίας B.
Το 1989 μια έκπληξη που προήλθε από την αναζωπύρωση του
θέματος της ψυχρής σύντηξης, δημιούργησε πολλά ερωτηματικά για
το εάν και κατά πόσον θα έπρεπε να συνεχισθούν οι έρευνες και
οι πειραματισμοί στους αντιδραστήρες σύντηξης, από τη στιγμή
που όλα έτειναν στο συμπέρασμα ότι οι δυσβάστακτες ερευνητικές
δαπάνες δεν απέφεραν τα προσδοκώμενα αποτελέσματα. Ειδικότερα
στις ΗΠΑ οι διαμαρτυρίες υπήρξαν ιδιαίτερα έντονες, καθώς
συνδυάσθηκαν με μια πιθανή και απροσδόκητη επιτυχία της ψυχρής
σύντηξης, με αποτέλεσμα να ανασταλούν πολλές επενδύσεις σε
πειραματικούς αντιδραστήρες και να αναιρεθεί η συμμετοχή σε
ορισμένα υποπρογράμματα της EOK για τα συστήματα του tokamak
Jet στο Culham. Πολλοί μάλιστα Αμερικανοί ερευνητές
υποστήριξαν πως η επιτυχία της πειραματικής σύντηξης θα
ερχόταν, αν ερχόταν ποτέ, μετά το 2000.
Στις 10 Νοεμβρίου 1991, οι Κασσάνδρες διαψεύσθηκαν. Αρκετά
χρόνια πριν από το 2000, η ομάδα του Jet πέτυχε να φέρει το
πλάσμα στη μαγνητική φιάλη του tokamak στην ασύλληπτη
θερμοκρασία των 300 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Το αποτέλεσμα
ήταν να επιτευχθεί ελεγχόμενη σύντηξη διάρκειας 1sec που
απέδωσε 1MW ενέργειας. Βέβαια η τεχνογνωσία που εφαρμόζεται
στους πειραματικούς αντιδραστήρες, δεν συνεπάγεται και την
άμεση μετάβαση σε επιχειρησιακούς σταθμούς παραγωγής
ενέργειας. Αποτελούν όμως μια σημαντικότατη βάση για μια
ταχύτατη εξέλιξη καθαρά εμπορικών αντιδραστήρων σύντηξης.

ΛΕΖΑΝΤΕΣ

Το προτεινόμενο RIGGATRON από το δαιμόνιο παιδί της σύντηξης
Robert Buchard, έχει το μέγεθος μιάς επιτραπέζιας οικιακής
συσκευής.

Ηλεκτρικές εκκενώσεις στο PBFA I των εργαστηρίων Sandia κατά
τη διάρκεια εκπομπής παλμών ελαφρών ιόντων. Στην ένθεση ο PBFA
I σε κατάσταση ηρεμίας.

Ένας δύτης ελέγχει τα εξωτερικά τοιχώματα για πιθανές ρωγμές
στον JET στις εγκαταστάσεις του Κάλχαμ.

O διάδοχος του PBFA I, PBFA II κατά τη διάρκεια ηλεκτρικών
εκκενώσεων.

Το μέγεθος ενός αντιδραστήρα σύντηξης δεν είναι ευκαταφρόνητο
όπως φαίνεται από το ζεύγος των μαγνητών του MFTR βάρους 400
τόννων και ύψους δύο ορόφων.

O εγχυτής σφαιριδίων του συντηκόμενου υλικού που αναπτύχθηκε
στο MIT για τον αντιδραστήρα ALCATOR

Ψυκτικοί αγωγοί του Tokamak της General Atomics σε εργαστήριο
στη Λα Χόγια της Καλιφόρνιας.

Τομή του αντιδραστήρα STARFIRE των εργαστηρίων Argonne.
Συνδυάζει υπεραγώγιμους μαγνήτες, ομόκεντρους προς το δακτύλιο
της μαγνητικής φιάλης. και 12 υπεραγώγιμους μαγνήτες σε σχήμα
_D_ γύρω του. Στο εσωτερικό τοίχωμα προβλέπεται συλλέκτης που
είναι και η μόνη διάταξη που έρχεται σε επαφή με το πλάσμα το
οποίο διοχετεύεται με αντλίες κενού. A. Αντλίες κενού, B.
Συλλέκτης, Γ. Θωράκιση, Δ. Μαγνήτες πολοειδούς πεδίου και
ωμικής θέρμανσης, E. Μαγνήτες δακτυλιοειδούς πεδίου σχήματος
_D_.

ΠΡΟΣΟΧΗ ΓΡΑΜΜΑΤΑΚΙΑ
ΠΛΑΣΜΑ
ΠΡΩΤΟ ΤΟΙΧΩΜΑ
ΘΩΡΑΚΙΣΗ
ΜΑΓΝΗΤΕΣ ΔΑΚΤΥΛΙΟΕΙΔΟΥΣ ΠΕΔΙΟΥ
ΜΑΓΝΗΤΕΣ ΠΟΛΟΕΙΔΟΥΣ ΠΕΔΙΟΥ
ΑΓΩΓΟΙ ΡΑΔΙΟΚΥΜΑΤΩΝ
ΑΝΤΙΕΣ KENOY

Βασική σχεδίαση της μαγνητικής φιάλης της μαγνητικής φιάλης σε
tokamak με τρία συστήματα μαγνητών. (Γ,Δ,Ε) A. Πλάσμα, B.
Γραμμή μαγνητικού πεδίου, Γ. Μαγνήτες πολοειδούς πεδίου που
δημιουργούν κεντρομόλους δυνάμεις στο πλάσμα, Δ. Ωμικοί
μαγνήτες που δρουν σαν πρωτεύον μετασχηματιστού συνεχούς
ρεύματος που διοχετεύει ηλεκτρικό ρεύμα στο δευτερεύον, δηλαδή
στο δακτύλιο του πλάσματος, E. Μαγνήτες δακτυλιοειδούς πεδίου.

Βασική σχεδίαση της μαγνητικής φιάλης στους Tandem Mirror που
δημιουργείται από μαγνητικά πεδία, αλλά και από το
ηλεκτροστατικό πεδίο που εμφανίζεται από την κατανομή των
ηλεκτρικών φορτίων.

Πλάσμα
Μαγνήτες εγκλωβισμού ιόντων
Μαγνήτες αναστροφής πεδίου
Μαγνήτες βρόγχοι
Μαγνήτες πεδίου
METPA

PAGAN http://library.techlink.gr /1991

Advertisements

About sooteris kyritsis

Job title: (f)PHELLOW OF SOPHIA Profession: RESEARCHER Company: ANTHROOPISMOS Favorite quote: "ITS TIME FOR KOSMOPOLITANS(=HELLINES) TO FLY IN SPACE." Interested in: Activity Partners, Friends Fashion: Classic Humor: Friendly Places lived: EN THE HIGHLANDS OF KOSMOS THROUGH THE DARKNESS OF AMENTHE
This entry was posted in NEWS FROM SYNPAN and tagged , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.