Ένα θερμόμετρο που φτάνει τους 200 εκατομμύρια βαθμούς Understand article

Μετάφραση από τον Λορέντζο Δημήτρη. Η μέτρηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα σύντηξης δεν είναι μια απλή υπόθεση. Μάθετε πως γίνεται αυτό –…

Το Joint European Torus (JET) είναι παγκοσμίως το μεγαλύτερο πείραμα πάνω στην ενέργεια σύντηξης, με πρωτοποριακές μεθόδους για την παραγωγή άφθονης, καθαρής ενέργειας με τον ίδιο τρόπο που γίνεται στον Ήλιο: με σύντηξη ελαφριών ατόμων όπως το υδρογόνο για το σχηματισμό του βαρύτερου ατόμου του ηλίου.

Στην ουσία το JET, στο Ηνωμένο Βασίλειο – και ο μεγαλύτερος διάδοχός του το ITER, που κατασκευάζεται στο νότο της Γαλλίας – έχουν ως στόχο να λειτουργήσουν χιλιάδες φορές πιο αποδοτικά από ότι ο Ήλιος, παρ’ όλο που αυτό απαιτεί να επιτευχθούν στο κέντρο του αντιδραστήρα σύντηξης θερμοκρασίες που είναι δέκα φορές μεγαλύτερες από ότι στον πυρήνα του Ηλίου.

Όλως περιέργως, οι επιστήμονες και μηχανικοί έχουν εφεύρει τρόπους για τη θέρμανση του καυσίμου υδρογόνου σε αυτές τις θερμοκρασίες, χωρίς να λιώσει ο αντιδραστήρας με τη χρήση πολύ ισχυρών μαγνητικών πεδίων (όπως περιγράφεται στο Rüth, 2012). Θεμελιώδεις για τα πειράματα αυτά δεν είναι μόνο οι μέθοδοι παρακολούθησης των αντιδράσεων (δείτε Dooley, 2012) αλλά και οι μέθοδοι μέτρησης της κατανομής της θερμοκρασίας του καυσίμου, από το καυτό πυρήνα μέχρι τα πιο ψυχρά άκρα του, ώστε οι επιστήμονες να μπορέσουν να δημιουργήσουν το βέλτιστο περιβάλλον για την επίτευξη της σύντηξης.

Σε αυτές τις θερμοκρασίες το καύσιμο υδρογόνο μετατρέπεται στην τέταρτη κατάσταση της ύλης, το πλάσμα. Η μέτρηση της θερμοκρασίας του πλάσματος που είναι δέκα φορές υψηλότερη από του Ηλίου παρουσιάζει κάποιες προκλήσεις – δεν μπορείς απλά να εισάγεις ένα παραδοσιακό θερμόμετρο: θα έλιωνε μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Τα πράγματα περιπλέκονται περισσότερο γιατί το πλάσμα αποτελείται από δύο πολύ διαφορετικά φορτισμένα σωματίδια: τα ηλεκτρόνια που έχουν απομακρυνθεί από τα άτομα, και τα βαρύτερα θετικά ιόντα που δημιουργούνται από την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων. Το κλειδί για τη σύντηξη είναι η δημιουργία θερμών ιόντων που θα συντηχθούν, τα ηλεκτρόνια ωστόσο μπορεί να αντιδράσουν στη θέρμανση διαφορετικά από ότι τα ιόντα – μπορεί μάλιστα να καταλήξουν σε διαφορετική θερμοκρασία! Οι περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των ιόντων μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά την επιτυχία ενός πειράματος σύντηξης.

Παρά τις προκλήσεις αυτές, οι φυσικοί πλάσματος έχουν αναπτύξει πολλαπλές μεθόδους για να εξάγουν τη θερμοκρασία (εικόνα 1) – η διασταύρωση των αποτελεσμάτων από διαφορετικές μεθόδους αυξάνει την αξιοπιστία των μετρήσεων – με τον τρόπο αυτό μπορούν να είναι σίγουροι ότι ελέγχουν ότι συμβαίνει μέσα σε ένα από τα πιο θερμά μέρη του Ηλιακού Συστήματος.

Θερμοκρασία Ηλεκτρονίων

Περιστροφική Κίνηση: ακτινοβολία κύκλοτρον

Το πρώτο ‘θερμόμετρο’ βασίζεται στην επίδραση των μαγνητικών πεδίων πάνω σε φορτισμένα σωματίδια. Επειδή ειναι φορτισμένα, τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν σπειροειδώς κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου, αυτό παράγει μικροκύματα που καλούνται ακτινοβολία κύκλοτρον (εικόνα 2). Όσο θερμότερα – και συνεπώς ταχύτερα – είναι τα ηλεκτρόνια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση των μικροκυμάτων που εκπέμπονται.

Τα μικροκύματα παράγουν επίσης μια κατανομή της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων, λόγω του μεταβλητού μαγνητικού πεδίου μέσα στον αντιδραστήρα: όσο ισχυρότερο είναι το πεδίο, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα της σπειροειδούς κίνησης. Μια σύγκριση της έντασης με τη συχνότητα μας δείχνει τη θερμοκρασία για κάθε τιμή του μαγνητικού πεδίου. Σε συνδυασμό με ένα χωρικό χάρτη της έντασης του μαγνητικού πεδίου, που δημιουργείται από άλλα συστήματα, μας δίνει μια κατανομή της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων.

Ανιχνευτής Ταχύτητας! Τεχνική LIDAR

Το δεύτερο θερμόμετρο του JET κάνει χρήση ενός συστήματος που είναι παρόμοιο με μια κάμερα ταχύτητας της αστυνομίας για τη μέτρηση της ταχύτητας των σωματιδίων, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί φως από laser (LIDAR) αντί για ραδιοκύματα. Φως από laser σκεδάζεται από τα ηλεκτρόνια με μια διαδικασία γνωστή ως σκέδαση Thomson, αν τα ηλεκτρόνια κινούνται, το σκεδαζόμενο φως θα υποστεί μετατόπιση Doppler (εικόνα 3). Είμαστε περισσότερο εξοικειωμένοι με τη μετατόπιση Doppler στον ήχο: ο ήχος από διερχόμενα αυτοκίνητα έχει ελαφρώς υψηλότερη χροιά όταν πλησιάζουν προς εμάς παρά όταν απομακρύνονται. Παρόμοια, όταν το φως σκεδάζεται από κινούμενα ηλεκτρόνια η συχνότητά (χρώμα) του μετατοπίζεται κατά Doppler σε υψηλότερες συχνότητες, όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τον ανιχνευτή και σε χαμηλότερες συχνότητες όταν απομακρύνονται. Όσο γρηγορότερα κινείται το ηλεκτρόνιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση στη συχνότητα.

Το σωρευτικό αποτέλεσμα των πολλών ηλεκτρονίων στο πλάσμα – εκ των οποίων κάποια κινούνται προς τον ανιχνευτή και άλλα μακριά από αυτόν – είναι ότι η αρχικά λεπτή ζώνη συχνοτήτων του laser φωτός διευρύνετα (εικόνα 1B). Το μέγεθος της διεύρυνσης μας δείχνει την ταχύτητα των ηλεκτρονίων, και επομένως την θερμοκρασία τους.

Ένα δισδιάστατο προφίλ για τη θερμοκρασία δημιουργείται συνδυάζοντας τα δεδομένα από ακτίνες που οδεύουν σε διαφορετικές γωνίες μέσα στο πλάσμα. Αυτό είναι παρόμοιο με τη δημιουργία δισδιάστατων εικόνων από αξονική τομογραφία μέσω πολλαπλών ακτίνων-Χ.

Θερμοκρασία Ιόντων

Δυστυχώς με το LIDAR δεν μετρώνται αποτελεσματικά τα ιόντα. Αυτό διότι η διαδικασία της σκέδασης Thomson βασίζεται στις προκαλούμενες ταλαντώσεις ενός φορτισμένου σωματιδίου. Τα βαρύτερα ιόντα ταλαντώνονται λιγότερο – δεν μετακινούνται από τα κύματα φωτός του laser όσο τα ελαφρύτερα ηλεκτρόνια.

Λόγω της μεγαλύτερης μάζας των ιόντων η συχνότητα κύκλοτρον τους είναι πολύ χαμηλή για να είναι χρήσιμη – τα κύματα παραείναι μεγάλα για να δώσουν μια ακριβή μέτρηση και τυγχάνει να συμπίπτουν με τη φυσική συχνότητα απορρόφησης του πλάσματος και έτσι δεν διαφεύγουν από το πλάσμα ανεπηρέαστα.

Επιπρόσθετα, τα ιόντα υδρογόνου σε ένα πλάσμα γίνονται στην ουσία αόρατα, αφού όλα τα ηλεκτρόνιά τους έχουν αφαιρεθεί, με αποτέλεσμα να απενεργοποιείται ο συνήθης μηχανισμός με τον οποίο δημιουργείται ακτινοβολία – η μετάπτωση των ηλεκτρονίων μεταξύ των τροχιών.

Ωστόσο, λύση για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας έχει βρεθεί βάσει των προσμείξεων μέσα στο πλάσμα; παρόλο που σε μεγάλες ποσότητες είναι ανεπιθύμητες, σε ίχνη οι προσμείξεις μπορεί να είναι χρήσιμες για αυτό τον σκοπό.

Αλλαγή συνεργάτη: ανταλλαγή φορτίου

Μια από τις πιο συνηθισμένες προσμίξεις στο πλάσμα είναι ο άνθρακας, που αποτελούσε την επένδυση των τοιχωμάτων του JET μέχρι το 2010. Παρ’ όλο που τα πλακίδια από άνθρακα έχουν αντικατασταθεί από βηρύλλιο και βολφράμιο, υπάρχουν ακόμη ίχνη από άνθρακα μέσα στο πλάσμα. Συνήθως ο άνθρακας είναι αόρατος, όπως το υδρογόνο, μπορεί να γίνει όμως ορατός με μια διαδικασία που καλείται ανταλλαγή φορτίου. Αυτή περιλαμβάνει όδευση μιας ακτίνας από ουδέτερα άτομα υδρογόνου με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο πλάσμα. Όταν τα άτομα αυτά συναντήσουν ένα ιόν άνθρακα, μερικές φορές ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά από ένα άτομο υδρογόνου στον άνθρακα, που τότε εκπέμπει ένα όμορφο και ξεκάθαρο φάσμα που είναι εύκολο να μετρηθεί.

Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας, τα άτομα του άνθρακα κινούνται πολύ γρήγορα προς όλες τις κατευθύνσεις, έτσι οι έντονες συχνότητες του φάσματος απλώνουν με τον ίδιο τρόπο όπως το σκεδαζόμενο σήμα LIDAR (εικόνα 3).

Βλέποντας με ακτίνες-Χ: προσμίξεις βολφραμίου

Μια δεύτερη μέθοδος για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των ιόντων – βασισμένη και αυτή στις προσμίξεις – έχει προσφάτως ανατεθεί στο JET: ένας καινούριος ανιχνευτής ακτίνων-Χ. Αναπόφευκτα το βολφράμιο φεύγει από τα καινούρια πλακίδια στα τοιχώματα και μολύνει το πλάσμα σε μικρές ποσότητες. Σε αντίθεση με τα ελαφριά άτομα, το θερμό βολφράμιο τυπικά διατηρεί περίπου τα μισά από τα 74 ηλεκτρόνιά του ακόμα και στην ακραία θερμότητα του πυρήνα του πλάσματος, και έτσι δεν γίνεται αόρατο – τα ηλεκτρόνια αυτά μεταπηδούν μεταξύ των ηλεκτρονιακών τροχιών και εκπέμπουν ακτίνες-Χ. Η διεύρυνση Doppler αυτού του φάσματος ακτίνων-Χ εξαιτίας της μετατόπισης των ιόντων επιτρέπει τον υπολογισμό της θερμοκρασίας (όπως στην εικόνα 3).

Τα προφίλ για τη θερμοκρασία όπως προκύπτουν από αυτά τα τέσσερα συστήματα είναι απαραίτητα για την ανάλυση της αποτελεσματικότητας των συστημάτων θέρμανσης που χρησιμοποιούνται στο JET – κάποια από τα οποία θερμαίνουν ηλεκτρόνια, ενώ άλλα αφορούν στα ιόντα. Οι μετρήσεις επίσης δίνουν χρήσιμες πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται η ενέργεια στο πλάσμα σε διαφορετικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένου και του τρόπου αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων και ιόντων. Με αυτή τη γνώση, οι επιστήμονες και μηχανικοί στο JET μπορούν να χειραγωγούν το πλάσμα ώστε να μεγιστοποιήσουν τον περιορισμό του πλάσματος, για να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν βέλτιστες συνθήκες για τη σύντηξη.

References

• Dooley P (2012) Βλέποντας το φως: παρακολούθηση πειραμάτων σύντηξης. Science in School 24: 12-16.
• Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.

Web References

• w1 – Μάθετε περισσότερα για το EFDA-JET.
• w2 – To EIROforum είναι μια συνεργασία μεταξύ οκτώ από τους μεγαλύτερους διακυβερνητικούς οργανισμούς επιστημονικής έρευνας της Ευρώπης, που συνδυάζουν τους πόρους, τις εγκαταστάσεις και την τεχνογνωσία τους για να στηρίξουν τις επιστήμες στην Ευρώπη ώστε να εκμεταλλευτούν τις δυνατότητές τους στο μέγιστο. Ως τμήμα των δραστηριοτήτων εκπαίδευσης και ενημέρωσης κοινού, το EIROforum εκδίδει το Science in School.

Resources

• ​Warrick C (2006) Σύντηξη – Άσος στο ενεργειακό πρόβλημα? Science in School 1: 52-55.
• Για μια εισαγωγή στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα – και πως χρησιμοποιείται στην αστρονομία – δείτε:
  • Mignone C, Barnes R (2011) Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Science in School 20: 51-59.

Institutions

Author(s)

Ο Δρ Phil Dooley είναι ο αρμόδιος υπάλληλος για τον τύπο και την εκπαίδευση στο EFDA-JET. Γεννήθηκε στην Καμπέρα στην Αυστραλία, και ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στη φυσική των laser στο Εθνικό Πανεπιστήμιο Αυστραλίας. Ως διαφυγή από τον ακαδημαικό χώρο αποδέχθηκε μια θέση στον τομέα της Τεχνολογίας Πληροφοριών στην Rarotonga στις νήσους Cook, για 18 μήνες, προτού επιστρέψει στην Αυστραλία και εργαστεί στην εκπαίδευση χρήσης λογισμικού. Η αγάπη του για την επιστήμη τον οδήγησε πίσω στη φυσική, αυτή τη φορά στον τομέα της επικοινωνίας, ως υπεύθυνος του προγράμματος προβολής στα σχολεία στο Πανεπιστήμιο του Σίδνευ. Τον Οκτώβρη του 2011 ο Phil έγινε μέλος της ομάδας του EFDA-JET στο Oxfordshire στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Review

Το άρθρο αυτό περιγράφει τέσσερις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στο μεγαλύτερο παγκοσμίως πείραμα σύντηξης για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας μέσα στον αντιδραστήρα σύντηξης. Εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών, οποιοδήποτε θερμόμετρο θα έλιωνε ακαριαία.

Οι τέσσερις μέθοδοι περιλαμβάνουν έννοιες από διάφορες περιοχές της φυσικής και της χημείας, συμπεριλαμβανομένων της οπτικής, του ηλεκτρομαγνητισμού, της μηχανικής, της ενέργειας και της ατομικής δομής. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια δραστηριότητα για την τάξη που βασίζεται σε επίδειξη του φαινομένου Doppler, η οποία κατά ένα μέρος εξηγεί κάποιες από τις τέσσερις μεθόδους.

Η σειρά των άρθρων του Science in School πάνω στη σύντηξη, ένα από τα οποία είναι το παρόν (δείτε την λίστα με τις πηγές), έχει τεράστια διαθεματική προοπτική για μαθητές λυκείου, καθώς τα άρθρα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε συζήτηση πάνω στην ενέργεια σύντηξης ως μια πηγή μελλοντικής βιώσιμης ενέργειας, στο τρόπο λειτουργίας της, και στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της.

Mariana Martinho, Πορτογαλία

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF