Το πλάσμα ενός αντιδραστήρα σύντηξης σε χρώμα – Επιστήμονες το κατέγραψαν με κάμερα 16.000 καρέ το δευτερόλεπτο

Για πρώτη φορά το εσωτερικό του πειραματικού σφαιρικού tokamak ST40 της Tokamak Energy αποτυπώνεται με εντυπωσιακή λεπτομέρεια σε έγχρωμο βίντεο υψηλής ταχύτητας, με μια ειδική κάμερα να καταγράφει την εξέλιξη του πλάσματος με 16.000 καρέ το δευτερόλεπτο.

Η εικόνα που προκύπτει μοιάζει σχεδόν εξωπραγματική: ένα έντονο ροζ πλάσμα περιβάλλεται από κόκκινες και πρασινοκίτρινες φωτεινές γραμμές, αποκαλύπτοντας διαδικασίες που εξελίσσονται σε χρονικές κλίμακες πολύ μικρές για να παρατηρηθούν με συμβατικές κάμερες.

Από πού προέρχεται το ροζ χρώμα;

Στο ST40 χρησιμοποιείται δευτέριο, ένα βαρύ ισότοπο του υδρογόνου. Όταν μετατρέπεται σε πλάσμα, εκπέμπει ορατό φως, δημιουργώντας το χαρακτηριστικό ροζ χρώμα που βλέπουμε στην εξωτερική περιοχή του πλάσματος.

Όμως υπάρχει μια σημαντική λεπτομέρεια:

Αυτό που βλέπουμε δεν είναι ο καυτότερος πυρήνας του πλάσματος.

Ο πυρήνας του πλάσματος βρίσκεται σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες και δεν είναι αυτός που δημιουργεί το ορατό φως της συγκεκριμένης εικόνας. Η κάμερα καταγράφει κυρίως την περιφερειακή περιοχή του πλάσματος, όπου οι συνθήκες επιτρέπουν την εκπομπή ορατής ακτινοβολίας.

Το λίθιο αποκαλύπτει τις αόρατες δομές

Οι ερευνητές εισάγουν στο πλάσμα εξαιρετικά μικρούς κόκκους λιθίου, περίπου μεγέθους κόκκων άμμου. Καθώς το λίθιο εισέρχεται στην περιοχή του πλάσματος, τα ουδέτερα άτομα λιθίου διεγείρονται και εκπέμπουν έντονο βαθύ κόκκινο φως.

Καθώς προχωρούν σε θερμότερες περιοχές, ορισμένα άτομα χάνουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου. Τότε εμφανίζονται οι εντυπωσιακές πρασινοκίτρινες φωτεινές γραμμές.

Αυτή η αλλαγή δεν είναι απλώς ένα όμορφο οπτικό φαινόμενο.

Τα φορτισμένα ιόντα επηρεάζονται από τα ισχυρά μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται για τον εγκλωβισμό του πλάσματος. Έτσι, το φως που εκπέμπουν μπορεί να λειτουργήσει ως ένας φωτεινός ιχνηθέτης, βοηθώντας τους επιστήμονες να μελετήσουν τη συμπεριφορά του πλάσματος και τη δομή των μαγνητικών πεδίων που διαφορετικά δεν θα μπορούσαν να δουν άμεσα.

Το μεγάλο πρόβλημα της σύντηξης είναι η θερμότητα

Η επίτευξη εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών είναι απαραίτητη για τη σύντηξη πυρήνων υδρογόνου. Όμως η ίδια αυτή θερμότητα δημιουργεί ένα τεράστιο μηχανολογικό πρόβλημα.

Το πλάσμα πρέπει να παραμένει μακριά από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, ενώ η ενέργεια που τελικά διαφεύγει από το σύστημα πρέπει να απομακρύνεται με ελεγχόμενο τρόπο.

Για αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές περιοχές που ονομάζονται divertors, οι οποίες λειτουργούν ουσιαστικά ως το «σύστημα εξαγωγής θερμότητας» ενός tokamak.

Στα πειράματα του ST40 έχουν μετρηθεί θερμικές ροές που φτάνουν περίπου τα 150 megawatts ανά τετραγωνικό μέτρο (MW/m²) κοντά στις περιοχές όπου απομακρύνεται η ενέργεια από το πλάσμα.

Για έναν μελλοντικό αντιδραστήρα σύντηξης που θα πρέπει να λειτουργεί συνεχώς, η διαχείριση τέτοιων θερμικών φορτίων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα τεχνολογικά ζητήματα.

Μπορεί το λίθιο να βοηθήσει;

Εδώ βρίσκεται ένα από τα βασικά ερευνητικά ενδιαφέροντα των πειραμάτων.

Οι επιστήμονες εξετάζουν κατά πόσο ελεγχόμενες ποσότητες στοιχείων όπως το λίθιο μπορούν να προκαλέσουν ακτινοβολία στην εξωτερική περιοχή του πλάσματος και να βοηθήσουν στην απομάκρυνση μέρους της ενέργειας πριν αυτή φτάσει στα εξαρτήματα που πρέπει να την αντέξουν.

Μία από τις υπό μελέτη προσεγγίσεις είναι η λεγόμενη X-point radiator (XPR), όπου επιδιώκεται η δημιουργία μιας ελεγχόμενης περιοχής ακτινοβολίας κοντά στο X-point του μαγνητικού πεδίου.

Ο στόχος είναι ιδιαίτερα δύσκολος: να μειωθεί το θερμικό φορτίο στις επιφάνειες του αντιδραστήρα χωρίς να ψυχθεί υπερβολικά ο πυρήνας, ο οποίος πρέπει να παραμείνει εξαιρετικά θερμός για να διατηρηθούν οι συνθήκες που απαιτούνται για τη σύντηξη.

Τι πραγματικά βλέπουμε στο εντυπωσιακό βίντεο;

Το βίντεο δεν δείχνει τον «πυρήνα» ενός αντιδραστήρα σύντηξης όπως θα τον έβλεπε μια ανθρώπινη κάμερα.

Δείχνει κυρίως την ορατή ακτινοβολία από την εξωτερική περιοχή του πλάσματος, όπου το δευτέριο και το λίθιο παράγουν διαφορετικά χρώματα.

Η κάμερα των 16.000 καρέ ανά δευτερόλεπτο επιτρέπει στους ερευνητές να καταγράψουν και να επιβραδύνουν φαινόμενα που εξελίσσονται εξαιρετικά γρήγορα.

Με αυτόν τον τρόπο, ένα φαινόμενο που κανονικά θα ήταν σχεδόν αδύνατο να παρατηρηθεί γίνεται ένα λεπτομερές οπτικό εργαλείο για τη μελέτη της συμπεριφοράς του πλάσματος.

Και ίσως αυτή είναι η πιο ενδιαφέρουσα πλευρά της εικόνας: δεν βλέπουμε απλώς ένα εντυπωσιακό «πύρινο» πλάσμα. Βλέπουμε ένα νέο τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρούν και να μελετούν τις αόρατες διαδικασίες μέσα σε ένα σύστημα μαγνητικής σύντηξης.