ITER: Κατασκευή ενός Μικρού Ήλιου στη Γη

ITER, Ο Δρόμος προς τη Πυρηνική Συγχώνευση

ITER, ένα ακρωνύμιο για International Thermonuclear Experimental Reactor, που επίσης σημαίνει «Ο Δρόμος» στα Λατινικά, είναι η μεγαλύτερη παγκόσμια προσπάθεια για την κατάκτηση της παραγωγής ενέργειας με βάση τη πυρηνική συγχώνευση.

Το ITER χρηματοδοτείται και λειτουργεί από επτά μέρη: την Ευρωπαϊκή Ένωση (27 χώρες), την Κίνα, την Ινδία, την Ιαπωνία, τη Ρωσία, τη Νότια Κορέα και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Διαθέτει επίσης συμφωνίες συνεργασίας με την Αυστραλία, τον Καναδά, το Καζακστάν και την Ταϊλάνδη.

Το Ηνωμένο Βασίλειο ήταν μέρος του προγράμματος όταν ήταν στην ΕΕ και διακόπηκε η συμμετοχή του το 2023.

Πηγή: SciTech Daily

Σ θεωρία, το ITER θα μπορούσε να είναι το πρωτότυπο και πειραματικό μοντέλο για την εμπορική συγχώνευση, ανοίγοντας στην ανθρωπότητα πρακτικά απεριόριστη φθηνή ενέργεια.

Αυτό θα έκανε εργασίες όπως η εξωτερίκευση των ερήμων, η καταπολέμηση των εκπομπών CO₂ ή η μετάβαση σε διαστρικό πολιτισμό σχεδόν τριβιακές.

Έτσι, ενώ μπορεί να πάρει κάποιο χρόνο να αποδώσει καρπούς, το δυναμικό είναι τόσο τεράστιο που ίσως να θυμηθεί ως ένα από τα πιο σημαντικά μεγαπρογράμματα που δημιουργήθηκαν ποτέ.

Πυρηνική Συγχώνευση

Απεριόριστη Ενέργεια

Η πυρηνική σύντηξη διαφέρει από την κλασική πυρηνική ενέργεια (σχάση), επειδή χρησιμοποιεί πολύ ελαφρά στοιχεία. Αντί να διασπά βαριά άτομα όπως το ουράνιο, συνενώνει πολύ ελαφρά άτομα, συνήθως υδρογόνο.

Αυτό θεωρητικά καθιστά τη πυρηνική συγχώνευση πηγή απεριόριστης ενέργειας, καθώς το υδρογόνο είναι η πιο κοινή μορφή ύλης στο Σύμπαν.

Αυτή η διαδικασία παράγει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αποδίδοντας 3-10 φορές περισσότερη ενέργεια από τη πυρηνική διάσπαση και αποτελεί την πηγή ενέργειας που τροφοδοτεί τα αστέρια.

Πηγή: Nature

Ένα γραμμάριο μίγματος καυσίμου δετουρίου-τρίτιου στην διαδικασία πυρηνικής συγχώνευσης ισοδυναμεί με 11 τόνους άνθρακα. Η συνολική ενεργειακή κατανάλωση μιας ζωής μπορεί να καλυφθεί με λίγο περισσότερο από ένα μπουκάλι καυσίμου που κρατιέται στο χέρι.

Πλεονεκτήματα της Πυρηνικής Συγχώνευσης

Η πυρηνική σύντηξη όχι μόνο παρέχει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αλλά διαθέτει και ορισμένα βασικά πλεονεκτήματα που δεν μπορεί να προσφέρει καμία άλλη πηγή ενέργειας:

• Το δετούριο είναι τόσο άφθονο στα ωκεανούς και τα επιφανειακά ύδατα της Γης που είναι ουσιαστικά απεριόριστο και εξίσου προσβάσιμο σε κάθε χώρα.
• Η πυρηνική αντίδραση δεν παράγει ραδιενεργά απόβλητα, μόνο χημικά αβλαβές ήλιο.
  • Καμία CO₂ ή άλλα περιβαλλοντικά επιβλαβή προϊόντα δεν δημιουργούνται επίσης από την αντίδραση.
• Καθώς δεν παράγει εμπλουτισμένο ουράνιο, πλουτώνιο ή άλλα ραδιενεργά υλικά, η πυρηνική συγχώνευση δεν ενέχει κίνδυνο πυρηνικής εξάπλωσης (υλικό κατάλληλο για πυρηνικά όπλα).
  • Αυτό θα έκανε την υιοθέτηση της πυρηνικής συγχώνευσης μια ουδέτερη τεχνολογία χωρίς τους περιορισμούς που επιβάλλονται στην πυρηνική διάσπαση.
• Κανένας κίνδυνος λιωσίματος ή ανεξέλεγκτης αλυσιδωτής αντίδρασης. Η αντίδραση είναι στην πραγματικότητα τόσο δύσκολη να διατηρηθεί που οποιαδήποτε αποτυχία θα οδηγούσε αμέσως στη διακοπή του πλάσματος και στην διακοπή της πυρηνικής αντίδρασης και παραγωγής ενέργειας.
• Αν είναι αυτοσυντηρούμενη και ισχυρά ενεργειακά θετική, η πυρηνική συγχώνευση αναμένεται να είναι τόσο φθηνή ή φθηνότερη στη λειτουργία από τα πυρηνικά εργοστάσια που βασίζονται στη διάσπαση.
  • Η περαιτέρω τεχνολογική πρόοδος και η οικονομία κλίμακας μέσω της επαναλαμβανόμενης κατασκευής του ίδιου σχεδίου αντιδραστήρα θα πρέπει να μειώσει το κόστος με την πάροδο του χρόνου.

Η Συγχώνευση Είναι Δύσκολη

Με όλα αυτά τα πλεονεκτήματα, γιατί δεν έχουμε ακόμη τροφοδοτήσει τον ανθρώπινο πολιτισμό με πυρηνική σύντηξη;

Λοιπόν, το θέμα είναι ότι η πυρηνική συγχώνευση είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και φυσικά απωθούνται μεταξύ τους. Έτσι μπορεί να είναι πολύ δύσκολο να τα φέρουμε αρκετά κοντά για συγχώνευση, όπως δύο υπερ-ισχυροί μαγνήτες που απωθούνται.

Στη φύση, μόνο η καταστροφική βαρύτητα ενός ολόκληρου αστέρα είναι αρκετή για να φέρει τα άτομα υδρογόνου τόσο κοντά ώστε να ενεργοποιηθεί η συγχώνευση. Ακόμη και κάτι τόσο μεγάλο όσο ο Δίας είναι ακόμη «πολύ μικρό» για να το πετύχει. Έτσι, η σύγκλιση των ατόμων υδρογόνου στη Γη είναι εξαιρετικά δύσκολη.

Ωστόσο, έχει γίνει, και επιτεύχθηκε για πρώτη φορά από μια μηχανή συγχώνευσης τη δεκαετία του 1950. Αυτές οι μηχανές απέδειξαν τη δυνατότητα δημιουργίας συγχώνευσης αλλά δεν επέστρεψαν αρκετή ενέργεια σε σχέση με την ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε για την ενεργοποίησή της.

(TΤεχνικά, η πυρηνική συγχώνευση μεγάλης κλίμακας επιτεύχθηκε ήδη το 1952 με την πρώτη θερμοπυρηνική βόμβα, αλλά αυτή είναι δύσκολη να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ασφαλούς πηγής ενέργειας)

Ένα άλλο πρόβλημα με τη συγχώνευση είναι ότι το πλάσμα της πυρηνικής συγχώνευσης είναι εξαιρετικά θερμό, συνήθως πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Έτσι πρέπει να περιέχεται τέλεια, αλλιώς θα λιώσει ο αντιδραστήρας.

Λόγω όλων αυτών των προβλημάτων που πρέπει να λυθούν, η πυρηνική συγχώνευση είναι ένα αργά εξελισσόμενο πεδίο, με το σαρκαστικό σχόλιο, “Η συγχώνευση είναι πάντα 30 χρόνια στο μέλλον“.

Κάνοντας τη Συγχώνευση να Συμβεί στη Γη

Οι επιστήμονες επιτυγχάνουν πυρηνική σύντηξη σε πειραματικούς αντιδραστήρες εδώ και πολλά χρόνια. Χρησιμοποιούνται δύο κύριοι σχεδιασμοί:

• Ο ένας βασίζεται σε λέιζερ, συγκεντρώνοντας τεράστια ισχύ πάνω σε ένα μικροσκοπικό σφαιρίδιο υδρογόνου για να προκαλέσει σύντηξη.
• Η άλλη μέθοδος χρησιμοποιεί μια μηχανή σε σχήμα δακτυλίου, τον τοκαμάκ, και εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες για να συγκρατήσει και να συμπιέσει το υδρογόνο σε πλάσμα που αυτοαναφλέγεται.

Το πρόβλημα με τη σύντηξη είναι ότι η δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών, με θερμοκρασίες δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών, καταναλώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Έτσι, ακόμη και όταν επιτυγχάνεται η σύντηξη, η αντίδραση συνήθως δεν επιστρέφει αρκετή ενέργεια και καταλήγει να είναι καθαρός καταναλωτής ενέργειας.

Το πλάσμα είναι επίσης πολύ ασταθές, γι’ αυτό είναι δύσκολο να διατηρηθεί η αντίδραση σύντηξης για περισσότερο από λίγα δευτερόλεπτα.

Το πρώτο τοκαμάκ κατασκευάστηκε το 1958 και αυτός ο σχεδιασμός θεωρείται ο πιθανότερος να διατηρήσει τη σύντηξη για αρκετά λεπτά, ή ιδανικά για ώρες, και να αποδώσει θετικό ενεργειακό ισοζύγιο.

Πηγή: DOE

Το ITER είναι σχεδίαση τοκαμάκ και θα είναι ο μεγαλύτερος ποτέ δημιουργημένος πυρηνικός αντιδραστήρας συγχώνευσης, με όγκο πλάσματος 10 φορές μεγαλύτερο από τον μεγαλύτερο μέχρι τώρα (JT-60SA στην Ιαπωνία) στα 830 κυβικά μέτρα (29.000 κυβικά πόδια).

Πηγή: ITER

Χρονοδιάγραμμα ITER

Το ITER είναι ο διάδοχος του International Tokamak Reactor, ή INTOR, μιας συνεργασίας ανάμεσα στη Δύση και την Ιαπωνία από τη μία πλευρά και τη Σοβιετική Ένωση από την άλλη, η οποία ξεκίνησε το 1978.

Η συνεργασία θα συνεχιστεί ακόμη και στην κορυφή του Ψυχρού Πολέμου. Ο πρώτος στόχος αποφασίστηκε το 1992, και οι πρώτες Δραστηριότητες Μηχανικού Σχεδίου (EDA) ολοκληρώθηκαν το 1998, με ένα σχέδιο που επικυρώθηκε το 2001.

Μια έντονη συζήτηση για το τελικό σχέδιο, ποια χώρα θα χρηματοδοτήσει τι, καθώς και πού θα χτιστεί ο αντιδραστήρας, καθυστέρησε το έργο για κάποιο χρόνο, μέχρι να επιλεγεί η τοποθεσία του Καδαράσ στην Γαλλία το 2005.

Πηγή: Wikipedia

Σε αυτό το διάστημα, η Κίνα και η Νότια Κορέα εντάχθηκαν στο έργο το 2003 και η Ινδία το 2005. Η αρχική κατασκευή ξεκίνησε το 2007.

Η συναρμολόγηση της μηχανής ξεκίνησε το 2020, με την εγκατάσταση της βάσης κρυοστάτη 1.250 τόνων τον Μάιο 2020. Τα πολιτικά έργα (κατασκευή) του χώρου ολοκληρώθηκαν το 2023.

Το κλείσιμο του κρυοστάτη αναμένεται να ολοκληρωθεί έως το 2033. Η πλήρης μαγνητική ενέργεια προβλέπεται να επιτευχθεί έως το 2036 και η φάση λειτουργίας με δευτέριο-τρίτιο να αρχίσει το 2039.

Προϋπολογισμός ITER

Ο αρχικός προϋπολογισμός του ITER υπολογιζόταν σε «μόλις» 6 δισ. ευρώ για την κατασκευή, αλλά, όπως συμβαίνει συχνά με τα επιστημονικά μεγαπρογράμματα, εκτοξεύθηκε στην τρέχουσα εκτίμηση των 25,2 δισ. δολαρίων, ενώ άλλες εκτιμήσεις του αμερικανικού Υπουργείου Ενέργειας τον τοποθετούν στα 65 δισ. δολάρια, κάτι που το ITER έχει διαψεύσει κατηγορηματικά.

Μέχρι σήμερα το έργο έχει δημιουργήσει 34.000 «ανθρωποέτη εργασίας» και θα δημιουργήσει άλλα 74.000 πριν ολοκληρωθεί η κατασκευή.

Στόχοι ITER

Όσο μεγαλύτερος είναι ο θάλαμος πλάσματος, τόσο πιθανότερο είναι να παραμένει αρκετά σταθερός ώστε να επιτυγχάνει θετικό ενεργειακό ισοζύγιο.

Αλλά φυσικά, όσο μεγαλύτερη είναι, τόσο πιο ακριβή και πολύπλοκη γίνεται.

Ο δηλωμένος στόχος για το ITER είναι να επιτύχει παραγωγή θερμικής ενέργειας 10 φορές μεγαλύτερη από την ενσωματωμένη θερμική ισχύ. Η παλμός συγχώνευσης θα πρέπει να διαρκέσει έως 8 λεπτά.

Συνολικά, αυτό θα σήμαινε τη δημιουργία 500 MW θερμότητας σε μόλις 400–6000 δευτερόλεπτα. Θα πρέπει να φτάσει έως 150 εκατομμύρια °C, ή 10 φορές τη θερμοκρασία στον πυρήνα του Ήλιου.

Για να επιτευχθούν αυτά τα αποτελέσματα, το ITER θα πρέπει να επιτύχει το λεγόμενο «πυρωμένο πλάσμα», όπου περισσότερο από το ήμισυ της ενέργειας που λαμβάνει το πλάσμα προέρχεται από αντιδράσεις συγχώνευσης (αντί από εξωτερικά ερεθίσματα). Το πυρωμένο πλάσμα είναι απαραίτητο για οποιοδήποτε ενεργειακά θετικό, εμπορικό εργοστάσιο που χρησιμοποιεί πυρηνική συγχώνευση.

Η παραγωγή ενέργειας του ITER δεν θα μετατραπεί σε ηλεκτρισμό, καθώς αυτός είναι ένας τεχνολογικός επιδείξας, και η μετατροπή αυτής της θερμότητας σε ενέργεια είναι μια γνωστή τεχνολογία που ήδη χρησιμοποιείται συστηματικά σε εμπορικά πυρηνικά εργοστάσια διάσπασης που χρησιμοποιούν ουράνιο.

Ένας ακόμη στόχος του αντιδραστήρα είναι να δοκιμάσει σε πραγματικές συνθήκες βασικές τεχνολογίες που δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί, όπως οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες, ο τηλεχειρισμός για συντήρηση με ρομπότ, η θωράκιση νετρονίων, η μετατροπή θερμότητας και η παραγωγή τριτίου μέσα στον αντιδραστήρα (βλ. παρακάτω).

Αντιδραστήρες DEMO Συγχώνευσης

Μετά το ITER θα ακολουθούσαν οι αντιδραστήρες κατηγορίας DEMO, οι οποίοι θα επαναχρησιμοποιούσαν τον σχεδιασμό του ITER με πιθανές βελτιώσεις από τα πειραματικά δεδομένα και θα αποτελούσαν την 1^η γενιά εμπορικών σταθμών πυρηνικής σύντηξης.

Οι αντιδραστήρες DEMO αναμένεται να παρέχουν στο δίκτυο 300 έως 500 μεγαβάτ καθαρής ηλεκτρικής ισχύος.

Μεταξύ των σημαντικότερων έργων επίδειξης περιλαμβάνονται:

• Κίνα: ο σχεδιασμός του Chinese Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) ολοκληρώθηκε το 2020 και η κατασκευή του αναμένεται έως το 2040.
• Ευρώπη: ο σταθμός παραγωγής ενέργειας DEMO προβλέπεται να κατασκευαστεί έως το 2050. Θα προηγηθεί μια εγκατάσταση ογκομετρικής πηγής νετρονίων με βάση το πλάσμα (VNS) για τη δοκιμή των τεχνολογιών του DEMO.
• Ιαπωνία: το JA-DEMO, που προβλέπεται να ολοκληρωθεί μεταξύ της δεκαετίας του 2040 και του 2050, στοχεύει σε σταθερή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αρκετών εκατοντάδων MW και ισχύ σύντηξης τουλάχιστον 1.500 MW.
• Νότια Κορέα: το K-DEMO θα κατασκευαστεί μετά το 2050. Θα προηγηθεί το εικονικό DEMO (V-DEMO), που θα βασίζεται σε υπερυπολογιστές, τεχνητή νοημοσύνη και ψηφιακά δίδυμα.
• Ρωσία: το DEMO-RF προβλέπεται να κατασκευαστεί έως το 2055. Εξετάζεται επίσης μια υβριδική εγκατάσταση σύντηξης και σχάσης.
• Ινδία: η χώρα θα επικεντρωθεί πρώτα σε μια πιλοτική μονάδα σύντηξης ισχύος 200–300 MW και στη συνέχεια θα κατασκευάσει έναν αντιδραστήρα DEMO.
• ΗΠΑ: το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας εξετάζει ακόμη τα επόμενα βήματα, μεταξύ άλλων τη συνεργασία με ιδιωτικές εταιρείες για την περίοδο μετά το ITER.

Παραγωγή Τριτίου

Καθώς βρίσκεται στην αιχμή της επιστήμης, το έργο πρέπει να αποδείξει πειραματικά πολλές ακόμη έννοιες και τεχνολογίες.

Μία κρίσιμη είναι η παραγωγή τριτίου, καθώς ο σχεδιασμός του ITER βασίζεται στη συγχώνευση δετουρίου και τριτίου (και τα δύο ισότοπα του υδρογόνου).

Πηγή: Climate & Hope

Το δετούριο‑δετούριο θα ήταν ιδανικό, καθώς το δετούριο είναι ένα φυσικά υπάρχον στοιχείο, αλλά αυτό θα έκανε τη τεχνητή συγχώνευση πολύ πιο δύσκολη λόγω ακόμη υψηλότερων απαιτούμενων θερμοκρασιών.

Το πρόβλημα είναι ότι το τρίτιο δεν υπάρχει στη φύση και πρέπει να παραχθεί τεχνητά σε πυρηνικά εργοστάσια (20 kg ετησίως παγκοσμίως). Όμως το ITER θα καταναλώσει όλη την παραγωγή τριτίου της Γης.

Σε κάθε περίπτωση, οι μελλοντικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες συγχώνευσης δεν θα έχουν αρκετό τρίτιο για παραγωγή ενέργειας, καθώς κάθε αντιδραστήρας θα απαιτεί 100‑200 kg ετησίως.

Έτσι, το τρίτιο πρέπει να παραχθεί απευθείας μέσα στον αντιδραστήρα. Αυτό είναι το έργο του «στρώματος παραγωγής τριτίου».

Αυτή η κάλυψη 600 m² πάνω στους τοίχους του αντιδραστήρα, που περιέχει λίθιο, έχει το διπλό καθήκον να δημιουργεί ενέργεια όταν χτυπηθεί από νετρόνια (η βάση για τη μελλοντική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας) ενώ παράλληλα παράγει τρίτιο μέσω της διάσπασης των ατόμων του λιθίου.

Πηγή: C&EN

Πρέπει να σημειωθεί ότι ενδιάμεσα στοιχεία όπως το βηρύλλιο εξασφαλίζουν ότι τουλάχιστον 1 τρίτιο «αναπαράγεται» για κάθε αντίδραση πυρηνικής συγχώνευσης, πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των νετρονίων.

Συνολικά, 6 διαφορετικά συστήματα παραγωγής τριτίου θα δοκιμαστούν στο ITER για να προσδιοριστεί η βέλτιστη δομή υλικού, τα συστήματα ψύξης, το υγρό έναντι του στερεού λιθίου, η μέθοδος εξαγωγής λιθίου κ.λπ.

Σχεδίαση ITER

Το Κτίριο Ξαυτά

Παρότι το πιο ενδιαφέρον στοιχείο της μηχανικής του ITER είναι η προηγμένη τεχνολογία πυρηνικής σύντηξης, το ίδιο το κτίριο είναι τεράστιο και στεγάζει όχι μόνο εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας, αλλά και όλες τις υποστηρικτικές δομές, την παροχή ενέργειας, τα συστήματα ψύξης και συντήρησης και πολλές άλλες εγκαταστάσεις.

Πηγή: ITER

Ο ίδιος ο αντιδραστήρας ITER είναι επίσης τεράστιος, ζυγίζει 23.000 τόνους, 3 φορές το βάρος του Πύργου του Άιφελ. Συνολικά, 400.000 τόνους θα στηριχθούν στο κατώτερο βάθος του Συμπλέγματος Τοκαμάκ, ή περισσότερο από το βάρος του Κτιρίου Empire State της Νέας Υόρκης.

Πηγή: ITER

Για να διαχειριστούν όλα αυτά, χρησιμοποιήθηκαν περίπου 120.000 κυβικά μέτρα σκυροδέματος κατά τη φάση των πολιτικών εργασιών της κατασκευής του Συμπλέγματος Τοκαμάκ, με ένα μεγάλο εργοστάσιο σκυροδέματος να χτίζεται επί τόπου για την παραγωγή μιας ευρείας γκάμας τύπων σκυροδέματος, καθένας προσαρμοσμένος στις συγκεκριμένες απαιτήσεις των κτιρίων και των δομών του ITER.

Το κτίριο επίσης κατασκευάζεται με σεισμοπροστατευτικούς απομονωτές και προστατεύεται από δομή πυρηνικής κατάταξης ενισχυμένου σκυροδέματος.

Λογιστική & Υποδομές

Ένα ακόμη «βασικό» πρόβλημα του ITER ήταν η επιμελητεία για τη μεταφορά επιτόπου όλων των μεγάλων εξαρτημάτων που κατασκευάστηκαν σε εξειδικευμένα ερευνητικά κέντρα ανά τον κόσμο.

Για παράδειγμα, κάθε μία από τις 18 σπείρες πεδίου τύπου D του Τοκαμάκ του ITER ζυγίζει 310 τόνους, και τα βαρύτερα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του οχήματος μεταφοράς, ζυγίζουν έως 900 τόνους. Συνεπώς, πρέπει να μεταφερθούν με πλοίο αντί με αεροπλάνο.

Στη συνέχεια, μεταφέρονται σε έναν ειδικά τροποποιημένο δρόμο 104 km (64 μίλια), καθώς ορισμένα στοιχεία θα έχουν μήκος έως 33 μέτρα (108 πόδια).

Η εγκατάσταση απαιτούσε επίσης επέκταση γραμμής 400 kV και εκτεταμένες εγκαταστάσεις για γραφεία, εργαστήρια, αποθήκευση εξοπλισμού και άνεση.

Πηγή: ITER

Η ίδια η κατασκευή, συχνά απαιτώντας προσαρμογή σε στενούς χώρους, οδήγησε στο σχεδιασμό περισσότερων από 100 προσαρμοσμένων συσκευών για τη συναρμολόγηση των μηχανημάτων και των κτιρίων του ITER.

Πηγή: ITER

Η συναρμολόγηση του τοκαμάκ, με περισσότερα από 1.000.000 εξαρτήματα, αποτέλεσε από μόνη της ένα ολόκληρο έργο.

Υπεραγωγικοί Μαγνήτες

Στον πυρήνα του μηχανολογικού εξοπλισμού του ITER, οι μαγνήτες θα χρησιμοποιούν υπεραγώγιμους κλώνους νιοβίου-κασσιτέρου (Nb3Sn). Συνολικά θα απαιτηθούν 100.000 χιλιόμετρα (62.000 μίλια) αυτών των κλώνων, αρκετά για να τυλίξουν δύο φορές τον ισημερινό της Γης.

Πηγή: ITER

Αυτό απαιτούσε μια τεράστια βιομηχανική παραγωγική προσπάθεια. Πριν την κλιμάκωση του ITER, η παγκόσμια παραγωγή ινών νιόβιου‑κασσίου ήταν μόλις 15 τόνους/έτος. Η Κίνα, η Ευρώπη, η Ιαπωνία, η Κορέα, η Ρωσία και οι ΗΠΑ την αυξήσαν σε 150 τόνους/έτος.

Κρυοσταθμοί & Πύργος Ψύξης

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική αντίσταση μόνο όταν βρίσκονται σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους είναι μόλις 4,5 βαθμούς Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Συνεπώς, απαιτούν τον κρυοστάσιο, μια εγκατάσταση μεγέθους ποδοσφαίρου που αποθηκεύει ήλιο και άζωτο για να τα ψύξει και να μετατρέψει αυτά τα αέρια σε υπερβολικά ψυχρά υγρά.

Πηγή: ITER

Τα 50 τόνους/ημέρα υγρού αζώτου χρησιμοποιούνται ως προψύκτης για το εργοστάσιο υγρού ήλιου, και το υγρό ήλιο χρησιμοποιείται για την ψύξη των μαγνητών. Σχεδόν 25 τόνους υγρού ήλιου στους -269 °C θα κυκλοφορούν στην εγκατάσταση του ITER κατά τη λειτουργία.

Ενώ ο μαγνήτης χρειάζεται υπερβολική ψύξη, η πυρηνική συγχώνευση θα παράγει μια μέγιστη θερμική φόρτωση 1150 MW, η οποία πρέπει να απομακρυνθεί. Αυτό είναι το έργο του πύργου ψύξης.

Χημικά εισάγονται για να ελαχιστοποιηθεί η διάβρωση των σωληνώσεων και να διατηρηθεί το επιθυμητό pH του νερού. Ένα σύστημα παραγωγής όζοντος διατηρεί συνεχή έγχυση όζοντος, το οποίο καταναλώνει οργανικό υλικό και αποτρέπει την ανάπτυξη βακτηρίων.

Κτίρια Μετατροπής Ενέργειας Μαγνητών

Ένα ακόμη σύστημα που υποστηρίζει τους μαγνήτες είναι η μετατροπή ισχύος, η οποία μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου σε συνεχές ρεύμα κατάλληλο για τους υπεραγώγιμους μαγνήτες.

Λόγω της τεράστιας έντασης του ρεύματος που χρησιμοποιείται, τα παραδοσιακά καλώδια δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά της ενέργειας στους μαγνήτες.

Αντί αυτού, χρησιμοποιούνται αλουμινένιες μπάρες με περιβλήμα από χάλυβα, που ονομάζονται «busbars» — ψυγμένες ενεργά μέσω συνεχούς ροής υπερπίεστου νερού. Είναι ουσιαστικά καλώδια τροφοδοσίας, αλλά πιο παχιά από τις σιδηροδρομικές ράγες.

Πηγή: ITER

Συνολικά, 5 km (3,1 μίλια) διπολικών busbars θα διασχίζουν το σύμπλεγμα ITER.

Εισαγωγείς Ουδέτερης Δέσμης

Μόλις λειτουργούν η τροφοδοσία και οι μαγνήτες, το ITER πρέπει να εγχύσει το δευτέριο που θα τροφοδοτήσει την αντίδραση σύντηξης.

Η δέσμη θα χρησιμοποιήσει ηλεκτρικό ρεύμα για να επιταχύνει τα σωματίδια σε πολύ υψηλές ταχύτητες, και θα εισάγει 33 MW από τα απαιτούμενα 50 MW εισροής ενέργειας. Στη συνέχεια τα «ουδετεροποιεί», επιτρέποντάς τους να περάσουν το μαγνητικό πεδίο και να μεταφέρουν την ενέργειά τους στο πλάσμα.

Αυτό θα χρησιμοποιήσει πάνω από 1 MW συνεχούς ρεύματος, ένα εξαιρετικά μεγάλο ποσό. Θα απαιτήσει προσαρμοσμένα εξαρτήματα, υπερβαίνοντας την τρέχουσα τεχνολογία, και θα χωρέσει σε κτίριο 11.700 m² (126.000 τετραγωνικά πόδια).

Πηγή: ITER

Επειδή πρόκειται για κρίσιμο εξάρτημα, κατασκευάστηκε στην Πάδοβα της Ιταλίας η εγκατάσταση δοκιμών ουδέτερης δέσμης (NBTF). Θα συμβάλει στην επίλυση τεχνικών εμποδίων, όπως το γεγονός ότι η δέσμη σωματιδίων του ITER είναι πολύ παχύτερη από εκείνες προηγούμενων πειραμάτων πυρηνικής σύντηξης.

Η εξουδετέρωση των ιόντων σε αυτή την κλίμακα μπορεί επίσης να αποδειχθεί δύσκολη και τα αποτελέσματα σε πραγματικές συνθήκες πρέπει να δοκιμαστούν πριν από την εγκατάσταση στο ITER.

Πηγή: ITER

Θέρμανση Κυκλοτρονίου

Οι άλλες πηγές θερμότητας που στοχεύουν το πλάσμα είναι τα συστήματα θέρμανσης κυκλοτρονίου ηλεκτρονίων και ιόντων. Σε αυτά περιλαμβάνονται η θέρμανση συντονισμού κυκλοτρονίου ηλεκτρονίων (ECRH) και η θέρμανση συντονισμού κυκλοτρονίου ιόντων (ICRH).

Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλής συχνότητας για να προκαλέσουν συντονισμό στα σωματίδια του πλάσματος, μεταφέροντας εξ αποστάσεως ισχύ και θερμότητα στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Το ECRH προκαλεί συντονισμό των ηλεκτρονίων στα 170 GHz, ενώ το ICRH προκαλεί συντονισμό των ιόντων του πλάσματος στα 40-55 GHz.

Ανταγωνιστές του ITER

Το ITER είναι τόσο μεγάλο έργο ώστε πολλοί από τους επιστήμονες που συμμετείχαν στον αρχικό σχεδιασμό του πιθανότατα δεν θα βρίσκονται πια εν ζωή όταν τεθεί σε λειτουργία.

Αυτή η φιλοδοξία μπορεί να αποτελεί και περιορισμό του έργου. Ο σχεδιασμός του βασίζεται κυρίως στην τεχνολογία σύντηξης των τελών της δεκαετίας του 1990 και των αρχών της δεκαετίας του 2000, με τις τότε παραδοχές και τεχνολογικές επιλογές.

Έκτοτε έχουν εμφανιστεί νέες προσεγγίσεις σύντηξης και αρκετές ιδιωτικές εταιρείες εξετάζουν τρόπους επίτευξης πυρηνικής σύντηξης με πολύ μικρότερες εγκαταστάσεις.

Αυτό έχει οδηγήσει ορισμένους επικριτές να χαρακτηρίσουν το ITER «παρωχημένο». Ως πρόβλημα έχει επίσης περιγραφεί ο διεθνής χαρακτήρας του έργου, που επιτρέπει στη γραφειοκρατία και την πολιτική να επηρεάζουν ως έναν βαθμό την επιστήμη.

Παρουσιάσαμε πολλές από αυτές τις εταιρείες σύντηξης, οι περισσότερες ιδιωτικές, όπως τις General Fusion (GFUZ ), TAE Technologies, Helion και Lockheed Martin Corporation (LMT ), στο άρθρο μας «Πυρηνική σύντηξη – Η απόλυτη λύση καθαρής ενέργειας στον ορίζοντα», το οποίο εξετάζει επίσης εναλλακτικούς σχεδιασμούς πέρα από τα τοκαμάκ.

Μεταξύ των πιθανών τεχνολογικών καινοτομιών αυτών των εταιρειών που δεν περιλαμβάνονται στον σχεδιασμό του ITER είναι:

• Η τεχνολογία σύντηξης μαγνητισμένου στόχου (MTF).
• Η τρισδιάστατη εκτύπωση εξαρτημάτων αντιδραστήρα.
• Το πυροβόλο πλάσματος, ίσως περισσότερο για διαστημική πρόωση σύντηξης παρά για παραγωγή ενέργειας.
• Άμεση συλλογή ηλεκτρικής ενέργειας από το πλάσμα, με χρήση του νόμου του Φαραντέι για την επαγωγή ρεύματος αντί για τη συλλογή θερμότητας.

Τον Δεκέμβριο του 2024, η Commonwealth Fusion Systems (CFS) ανακοίνωσε ότι στοχεύει ο αντιδραστήρας ARC να παρέχει 400 MW στο ηλεκτρικό δίκτυο της Βιρτζίνια, ισχύ αρκετή για 150.000 κατοικίες, με έναρξη στις αρχές της δεκαετίας του 2030. Η CFS χρησιμοποιεί υπεραγώγιμους μαγνήτες υψηλής θερμοκρασίας.

Μπορούν να συμβάλουν και άλλες τεχνολογίες. Μία από τις σημαντικότερες είναι η τεχνητή νοημοσύνη, η οποία θα μπορούσε να εντοπίζει και να διορθώνει σε πραγματικό χρόνο την αστάθεια του πλάσματος.

Μια άλλη δυνατότητα είναι τα πιθανά υπεραγώγιμα υλικά θερμοκρασίας δωματίου, που βρίσκονται πλέον πιο κοντά από ποτέ. Θα μπορούσαν να αλλάξουν ριζικά την ενεργειακή κατανάλωση ενός αντιδραστήρα σύντηξης, καθιστώντας τους μαγνήτες πολύ αποδοτικότερους και αξιόπιστους.

Συμπέρασμα

Το ITER μπορεί να αποτελέσει ένα από τα σημαντικότερα εγχειρήματα στην ιστορία της ανθρωπότητας, ανάλογο ή ίσως ακόμη σημαντικότερο από το πρόγραμμα Apollo.

Παρότι οι ιδιωτικές πρωτοβουλίες ενδέχεται να επιτύχουν εμπορική σύντηξη πριν από το ITER, ούτε αυτό είναι καθόλου βέβαιο.

Αν η πυρηνική σύντηξη απαιτεί αντιδραστήρες τεράστιας κλίμακας για να είναι ενεργειακά θετική και οικονομικά βιώσιμη, τότε πιθανότατα μόνο μια διεθνής προσπάθεια όπως το ITER μπορεί να την επιτύχει.

Ακόμη και αν αποτύχει, το ITER θα έχει αναπτύξει τη βιομηχανική βάση και θα έχει εκπαιδεύσει το επιστημονικό δυναμικό που απαιτείται για να βρεθεί το κλειδί της πυρηνικής σύντηξης μέσω άλλων σχεδιασμών. Επομένως δύσκολα μπορεί να θεωρηθεί σπατάλη, ιδίως αν ληφθεί υπόψη ο αντίκτυπος που θα είχε η ενέργεια σύντηξης στην ανθρωπότητα.

Στο μέλλον, ο σχεδιασμός τύπου ITER αναμένεται να βελτιωθεί με νέες τεχνολογίες, όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι υπεραγωγοί θερμοκρασίας δωματίου και η άμεση συλλογή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ωστόσο, θα χρειαστεί περισσότερο από μία ακόμη δεκαετία πριν αρχίσει το ITER τα πειράματά του, γεγονός που το καθιστά ένα από τα πλέον αναμενόμενα επιστημονικά έργα αυτής της χιλιετίας.

Εταιρεία Σχετική με το ITER

Mitsubishi Heavy Industry

Πολλά από τα εξαρτήματα που κατασκευάστηκαν για το ITER είναι μοναδικά, σχεδιασμένα από ερευνητικά ινστιτούτα πυρηνικής ενέργειας. Αλλά πολλά άλλα κατασκευάστηκαν από ηγέτες της βιομηχανίας στις συμμετέχουσες χώρες, φέρνοντας την τεχνογνωσία τους στην κατασκευή και τη μηχανική στο επιστημονικό μεγαπρόγραμμα.

Ένας σημαντικός συνεισφέρων είναι η Mitsubishi Heavy Industry.

Η εταιρεία έχει ιστορία που ξεκινά από το 1884, στην ναυπηγική. Αργότερα άρχισε να κατασκευάζει βαριά μηχανήματα, αεροπλάνα, τρένα και αυτοκίνητα.

Το 1995, η Mitsubishi Atomic Power Industry ενσωματώθηκε στο συγκρότημα, και έχει κατασκευάσει 24 αντιδραστήρες στην Ιαπωνία.

Σήμερα, η κύρια πηγή εσόδων της εταιρείας είναι τα ενεργειακά συστήματα (πυρηνικά, αερίου και ατμού) και η λογιστική & θερμική (HVAC, κινητήρες, τουρμπίδες). Είναι η #1 παγκοσμίως σε τουρμπίνες αερίου και συστήματα σύλληψης CO₂. Απασχολεί πάνω από 77.000 άτομα, σε 300 τοποθεσίες παγκοσμίως.

Πηγή: Mitsubishi Heavy Industry

Η Mitsubishi συνέβαλε σε πολλά βασικά εξαρτήματα του ITER, συμπεριλαμβανομένης της σπείρας πεδίου τοκαμάκ (μαγνήτης), του divertor (συσσώρευση πλάσματος) και των εξαρτημάτων υψηλής ροής θερμότητας, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος θέρμανσης πλάσματος.

[caption id=”attachment