Πυρηνική Σύντηξη: Το ITER διαθέτει πλέον εξάτμιση που αντέχει στη θερμοκρασία επιπέδου αστεροειδούς

Μια σημαντική πρόοδος σημειώθηκε στο φιλόδοξο διεθνές εγχείρημα πυρηνικής σύντηξης ITER, το οποίο κατασκευάζεται στη νότια Γαλλία και φιλοδοξεί να ανοίξει τον δρόμο για καθαρή, ανεξάντλητη ενέργεια. Στο πλαίσιο αυτού του πρωτοφανούς έργου, οι μηχανικοί καλούνται να αντιμετωπίσουν προκλήσεις στα όρια της ανθρώπινης τεχνογνωσίας, με μία από τις μεγαλύτερες να αφορά την αντοχή των υλικών σε ακραίες θερμοκρασίες και συνθήκες που θυμίζουν το εσωτερικό των άστρων.

Πρόσφατα, ένα βασικό εξάρτημα του αντιδραστήρα πέτυχε μια κρίσιμη επιτυχία: το λεγόμενο "external vertical target", δηλαδή το εξωτερικό κατακόρυφο τμήμα του εκτροπέα, ολοκλήρωσε με επιτυχία τις απαιτητικές πιστοποιήσεις του ITER, σηματοδοτώντας ένα τεράστιο βήμα προς την υλοποίηση της τεχνολογίας. Πρόκειται για την πρώτη φορά που ένα εξάρτημα τέτοιας κλίμακας και πολυπλοκότητας αποδεικνύεται ικανό να ανταπεξέλθει στις εξαιρετικά ακραίες συνθήκες του περιβάλλοντος πυρηνικής σύντηξης.

Ο εκτροπέας (divertor) του ITER δεν είναι απλώς ένα ακόμη τεχνικό στοιχείο, αλλά ένα από τα σημαντικότερα και πιο απαιτητικά συστήματα του αντιδραστήρα. Η λειτουργία του παραπέμπει μεταφορικά σε ένα «σύστημα εξάτμισης για αστέρια», καθώς είναι το μοναδικό τμήμα που έρχεται σε άμεση επαφή με το πλάσμα, μια καυτή μάζα φορτισμένων σωματιδίων, σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν κάθε γήινο προηγούμενο.

Ο ρόλος του εκτροπέα είναι κρίσιμος: απομακρύνει τα κατάλοιπα του καυσίμου και τη λεγόμενο «ηφαιστειακή τέφρα ηλίου», υποπροϊόντα της διαδικασίας σύντηξης που, εάν δεν εξαχθούν εγκαίρως, μπορούν να προκαλέσουν αποσταθεροποίηση του πλάσματος και κατάρρευση της αντίδρασης. Η επιφάνειά του πρέπει να αντέχει θερμικά φορτία που φτάνουν τα 20 megawatt ανά τετραγωνικό μέτρο – θερμότητα συγκρίσιμη με εκείνη που δημιουργεί ένας αστεροειδής κατά την είσοδό του στην ατμόσφαιρα – αλλά και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις της τάξης των 16,5 τόνων.

Η κατασκευή αυτής της τεχνολογικής υπερκατασκευής αποτελεί προϊόν πολυετούς συνεργασίας μεταξύ του ιαπωνικού οργανισμού QST (National Institutes for Quantum Science and Technology) και του βιομηχανικού κολοσσού Hitachi. Οι δύο πλευρές ξεκίνησαν τις κοινές εργασίες τον Ιανουάριο του 2022, με στόχο να σχεδιάσουν και να υλοποιήσουν ένα σύστημα υψηλής αξιοπιστίας, ανθεκτικό στη θερμότητα και τις καταπονήσεις.

Οι επιστήμονες του QST ανέλαβαν την έρευνα και ανάπτυξη των βασικών υλικών, όπως ειδικά «μονομπλόκ» από βολφράμιο, ένα από τα πιο ανθεκτικά μέταλλα στον κόσμο, καθώς και σωλήνες ψύξης από κράμα χαλκού υψηλής αντοχής. Το ζητούμενο ήταν να επιτευχθεί μέγιστη θερμική αγωγιμότητα, ώστε να απομακρύνεται γρήγορα η θερμότητα από την επιφάνεια, χωρίς να κινδυνεύει η δομική ακεραιότητα του εξαρτήματος.

Παράλληλα, αναπτύχθηκε μια εξειδικευμένη τεχνολογία συγκόλλησης, η οποία επιτρέπει την ένωση υλικών με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, χωρίς να παραμορφώνονται ή να καταστρέφονται στις υψηλές θερμοκρασίες που επικρατούν στον αντιδραστήρα. Στο δεύτερο στάδιο, η Hitachi μετέφερε τα ερευνητικά ευρήματα στη βιομηχανική παραγωγή, εφαρμόζοντας τεχνικές κατεργασίας και συναρμολόγησης εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας, με ανοχές κάτω του μισού χιλιοστού, και χρησιμοποιώντας αυτοματοποιημένα ρομποτικά συστήματα συγκόλλησης καθώς και μεθόδους μη καταστροφικού ελέγχου για τον εντοπισμό τυχόν ατελειών.

Το επιτυχημένο πρωτότυπο του "external vertical target" επιβεβαιώνει πως η επιστημονική κοινότητα βρίσκεται πλέον ένα βήμα πιο κοντά στη δημιουργία ενός λειτουργικού αντιδραστήρα σύντηξης. Παρόλο που η μαζική παραγωγή και λειτουργία τέτοιων συστημάτων απαιτεί ακόμη χρόνια δοκιμών και εξέλιξης, η πρόσφατη πιστοποίηση αποδεικνύει ότι η τεχνολογία για την αντιμετώπιση των ακραίων προκλήσεων της σύντηξης είναι πλέον εφικτή.

Το έργο του ITER δεν στοχεύει μόνο στην τεχνική υπέρβαση των φυσικών ορίων, αλλά ενσαρκώνει και μια παγκόσμια προσπάθεια συνεργασίας για την ενεργειακή αυτονομία του μέλλοντος. Όπως τονίζουν οι επιστήμονες, η ικανότητα διαχείρισης της θερμότητας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα είναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις — αλλά και από τα σημαντικότερα επιτεύγματα — στον μαραθώνιο της σύντηξης. Με τέτοια επιτεύγματα, η μετάβαση από τη θεωρία στην πράξη έρχεται όλο και πιο κοντά.

[via]