Ένα από τα μεγαλύτερα τεχνικά εμπόδια για την υλοποίηση της πυρηνικής σύντηξης ως πηγής καθαρής και σχεδόν απεριόριστης ενέργειας είναι η διαχείριση των εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών στο εσωτερικό των αντιδραστήρων. Το πλάσμα που παράγεται μέσα σε αυτούς τους αντιδραστήρες φτάνει θερμοκρασίες που ξεπερνούν τον πυρήνα του Ήλιου, κάτι που απαιτεί όχι μόνο ανθεκτικά αλλά και έξυπνα υλικά για τη συγκράτησή του.
Σε αυτό το πλαίσιο, το λίθιο, ένα ελαφρύ μέταλλο που έχει γίνει γνωστό κυρίως από τις μπαταρίες, αναδεικνύεται ως ένα απροσδόκητα αποτελεσματικό υλικό για την εσωτερική επένδυση των tokamak, των δακτυλιοειδών αντιδραστήρων σύντηξης. Μια πρόσφατη διεθνής μελέτη, που προέκυψε από τη συνεργασία εννέα ερευνητικών ιδρυμάτων, φέρνει στο φως αξιοσημείωτες ιδιότητες του λιθίου που θα μπορούσαν να αποτελέσουν καθοριστικό παράγοντα στο σχεδιασμό των μελλοντικών μονάδων παραγωγής ενέργειας.
Αν και η ιδέα χρήσης λιθίου στους τοίχους των αντιδραστήρων δεν είναι εντελώς καινούργια, οι τελευταίες έρευνες δείχνουν ότι οι δυνατότητές του είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που είχαν αρχικά υπολογιστεί. Στις εγκαταστάσεις του DIII-D tokamak στην Καλιφόρνια, που διαχειρίζεται η General Atomics, επιστήμονες παρατήρησαν ότι το λίθιο λειτουργεί σαν μια πολυλειτουργική ασπίδα.
Σε θερμοκρασίες που προκαλούν την τήξη του, το λίθιο σχηματίζει ένα αυτοθεραπευόμενο υγρό στρώμα που καλύπτει και προστατεύει τα πιο εκτεθειμένα εξαρτήματα του αντιδραστήρα από την έντονη θερμική καταπόνηση του πλάσματος. Αν η θερμοκρασία αυξηθεί περαιτέρω, δημιουργείται και ένα προστατευτικό σύννεφο ατμού, προσθέτοντας ένα ακόμη επίπεδο ασφάλειας.
Ωστόσο, το όφελος δεν περιορίζεται μόνο στην προστασία των τοιχωμάτων. Το λίθιο έχει τη μοναδική ιδιότητα να απορροφά άτομα καυσίμου, κυρίως υδρογόνου, αντί να τα απωθεί. Αυτή η απορρόφηση συμβάλλει στη σταθεροποίηση της περιφέρειας του πλάσματος, βελτιώνοντας τη συγκράτηση της ενέργειας και επιτρέποντας τη λειτουργία του αντιδραστήρα σε υψηλότερες ενεργειακές πυκνότητες. Πρόκειται για έναν κρίσιμο παράγοντα για την κατασκευή πιο συμπαγών και αποδοτικών tokamak.
Η πραγματική καινοτομία της μελέτης, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nuclear Materials and Energy, αφορά τον τρόπο εφαρμογής του λιθίου στον αντιδραστήρα. Οι ερευνητές σύγκριναν δύο μεθόδους: την προκαταρκτική επίστρωση των εσωτερικών επιφανειών με λίθιο πριν την έναρξη της αντίδρασης και την απευθείας έγχυση λιθίου υπό μορφή σκόνης κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αντιδραστήρα.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δεύτερη προσέγγιση, δηλαδή η έγχυση κατά τη διάρκεια της σύντηξης, είναι σαφώς πιο αποτελεσματική. Δημιουργεί ένα πιο ομοιόμορφο θερμοκρασιακό προφίλ από τον καυτό πυρήνα του πλάσματος έως τα ψυχρότερα εξωτερικά του στρώματα. Αυτή η ομοιομορφία είναι απαραίτητη για τη σταθερή και μακροχρόνια διατήρηση της σύντηξης.
Ο Florian Effenberg από το Princeton Plasma Physics Laboratory, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας, εξηγεί ότι η χρήση της σκόνης λιθίου κατά τη διάρκεια της λειτουργίας αποτελεί μια πρακτική προσέγγιση για τη μετάβαση στις μελλοντικές, πλήρως υγρές επενδύσεις από λίθιο. Με αυτό τον τρόπο, είναι δυνατό να «προσαρμοστούν» μεταλλικά τοιχώματα – όπως αυτά από βολφράμιο – ώστε να αντέχουν καλύτερα στην επαφή με το πλάσμα.
Αξιοσημείωτο είναι και το γεγονός ότι το πάχος της λιθιούχου επένδυσης πριν τη λειτουργία δεν φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά την ποσότητα καυσίμου που παγιδεύεται στους τοίχους – ένα φαινόμενο που θα μπορούσε να αποδειχθεί προβληματικό, αλλά που πλέον διαφαίνεται ως διαχειρίσιμο.
Τα ενθαρρυντικά ευρήματα αυτής της μελέτης έχουν ήδη αρχίσει να επηρεάζουν τον σχεδιασμό μελλοντικών πειραμάτων. Ήδη εξετάζεται η ενσωμάτωση ειδικού συστήματος έγχυσης λιθίου και, αργότερα, εξαρτημάτων με υγρό λίθιο στο πείραμα NSTX-U του PPPL. Πρόκειται για ένα ακόμη βήμα προς την επόμενη γενιά αντιδραστήρων σύντηξης, με απώτερο στόχο την ασφαλή, αποδοτική και εμπορικά βιώσιμη παραγωγή καθαρής ενέργειας.
[via]
