Πυρηνική Σύντηξη: Επιβράδυνση ηλεκτρονίων που διαφεύγουν ανοίγει το δρόμο για επίλυση προβλημάτων σε αντιδραστήρες σύντηξης

Η πυρηνική σύντηξη έχει τη δυνατότητα να παρέχει καθαρή και ασφαλή ενέργεια που είναι ελεύθερη από εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η αντιγραφή της διαδικασίας παραγωγής ηλιακής ενέργειας είναι μια δύσκολη υπόθεση για να επιτευχθεί. Τώρα δυο νέοι φυσικοί πλάσματος στο Chalmers University of Technology, μας πήγαν ένα βήμα πιο κοντά σε ένα λειτουργικό αντιδραστήρα σύντηξης. Το μοντέλο τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες μεθόδους για επιβράδυνση των ηλεκτρονίων που διαφεύγουν, τα οποία θα μπορούσαν να καταστρέψουν ένα μελλοντικό αντιδραστήρα χωρίς προειδοποίηση.

Χρειάζεται υψηλή πίεση και θερμοκρασίες περίπου 150 εκατομμυρίων βαθμών για να γίνει δυνατό να συνδυαστούν άτομα. Σαν να μην ήταν αυτά αρκετά, τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν προκαλούν χάος στους αντιδραστήρες σύντηξης που τώρα αναπτύσσονται. Στους υποσχόμενους αντιδραστήρες τύπου tokamak, τα ανεπιθύμητα ηλεκτρικά πεδία θα μπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο ολόκληρη τη διαδικασία. Ηλεκτρόνια με ακραία υψηλή ενέργεια μπορούν ξαφνικά να επιταχυνθούν σε ταχύτητες τόσο υψηλές που καταστρέφουν το τοίχωμα του αντιδραστήρα.

Είναι αυτά τα διαφεύγοντα ηλεκτρόνια τα οποία με την έρευνά τους η Linnea Hesslow και ο Ola Embréus (φωτογραφία), υποψήφιοι διδακτορικού, έχουν προσδιορίσει και επιβραδύνει με επιτυχία. Μαζί με την επιβλέπουσα Καθηγήτρια Tünde Fülöp στο Τμήμα Φυσικής του Chalmers, μπόρεσαν να δείξουν ότι είναι δυνατό να επιβραδύνουν αποτελεσματικά τα διαφεύγοντα ηλεκτρόνια με την έκχυση αποκαλούμενων βαρέων ιόντων με μορφή αερίου ή σβόλων. Για παράδειγμα, νέον ή αργόν μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως «φρένα».

Παρόλο που τα τοιχώματα του θαλάμου κενού στον Βρετανικό αντιδραστήρα σύντηξης JET είναι κατασκευασμένα από στερεό μέταλλο, μπορεί να λιώσουν αν χτυπηθούν από δέσμη διαφυγόντων ηλεκτρονίων.

Όταν τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με το υψηλό φορτίο στους πυρήνες των ιόντων, βρίσκουν αντίσταση και χάνουν ταχύτητα. Οι πολλές συγκρούσεις καθιστούν την ταχύτητα ελέγξιμη και επιτρέπουν τη διαδικασία σύντηξης να συνεχιστεί. Χρησιμοποιώντας μαθηματικές περιγραφές και προσομοιώσεις πλάσματος, είναι δυνατό να προβλεφθεί η ενέργεια των ηλεκτρονίων – και πώς αυτή αλλάζει κάτω από διάφορες συνθήκες. «Όταν μπορούμε αποτελεσματικά να επιβραδύνουμε τα διαφεύγοντα ηλεκτρόνια, είμαστε ένα βήμα πιο κοντά σε ένα λειτουργικό αντιδραστήρα σύντηξης. Με δεδομένο ότι υπάρχουν τόσο λίγες επιλογές για επίλυση των παγκόσμια αυξανόμενων αναγκών για ενεργειακές ανάγκες με βιώσιμο τρόπο, η ενέργεια από σύντηξη είναι απίστευτα συναρπαστική καθώς αντλεί τα καύσιμά της από το συνηθισμένο θαλασσινό νερό», λέει η Linnea Hesslow.

Η μελέτη της ίδιας και των συνεργατών της δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο αναγνωρισμένου κύρους περιοδικό Physical Review Letters. «Το ενδιαφέρον για την εργασία είναι τεράστιο. Η γνώση χρειάζεται για μελλοντικά, ευρείας κλίμακας πειράματα και δίνει ελπίδα για τη λύση δύσκολων προβλημάτων. Αναμένουμε η εργασία να έχει ισχυρά θετική επίδραση», λέει η Καθηγήτρια Tünde Fülöp. Παρόλη τη μεγάλη πρόοδο στην έρευνα της ενέργειας από σύντηξη κατά τα τελευταία πενήντα χρόνια , δεν υπάρχει ακόμη σε εμπορική εφαρμογή εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας από σύντηξη. Αυτή την περίοδο όλα τα βλέμματα είναι στραμμένα στην διεθνή ερευνητική συνεργασία που σχετίζεται με τον αντιδραστήρα ITER στην νότια Γαλλία.

Πηγή: Chalmers University of Technology

Περισσότερα στη δημοσίευση: Effect of Partially Screened Nuclei on Fast-Electron Dynamics. Phys. Rev. Lett. 118.