Δοκιμές σε υπεραγώγιμα υλικά για το μεγαλύτερο στον κόσμο πρόγραμμα σύντηξης αποκαλύπτουν αξιόπιστο πρωτόκολλο μέτρησης

Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Durham ολοκλήρωσαν ένα από τα μεγαλύτερα προγράμματα επαλήθευσης ποιότητας που έχουν πραγματοποιηθεί ποτέ σε υπεραγώγιμα υλικά, συμβάλλοντας καθοριστικά στην επιτυχία του μεγαλύτερου πειράματος σύντηξης στον κόσμο, του ITER.

Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους, δημοσιευμένα στο Superconductor Science and Technology, ρίχνουν φως όχι μόνο στην ποιότητα των καλωδίων, αλλά και στις βέλτιστες μεθόδους δοκιμών, προσφέροντας κρίσιμες γνώσεις για την επίτευξη της ενέργειας σύντηξης.

Το όραμα της σύντηξης

Η σύντηξη, η διαδικασία που τροφοδοτεί τον ήλιο, θεωρείται εδώ και καιρό το «Άγιο Δισκοπότηρο» της καθαρής ενέργειας. Υπόσχεται σχεδόν απεριόριστη παροχή ενέργειας, χωρίς εκπομπές άνθρακα και με ελάχιστα ραδιενεργά απόβλητα.

Το ITER, που κατασκευάζεται στη νότια Γαλλία, σχεδιάστηκε για να επιδείξει σύντηξη σε πρωτοφανή κλίμακα. Όταν τεθεί σε λειτουργία, οι γιγάντιοι μαγνήτες του θα περιορίζουν το πλάσμα σε θερμοκρασίες υψηλότερες και από τον πυρήνα του ήλιου – και αυτοί οι μαγνήτες βασίζονται αποκλειστικά στην απόδοση προηγμένων υπεραγώγιμων καλωδίων.

Η συμβολή του Durham

Η ερευνητική ομάδα του Durham, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Damian Hampshire και του Dr. Mark Raine, επελέγη το 2011 να ιδρύσει ένα από τα επίσημα εργαστήρια αναφοράς της Ευρώπης για το ITER. Η αποστολή τους ήταν η ανάπτυξη εξειδικευμένων μεθόδων δοκιμής υπεραγώγιμων καλωδίων από Nb₃Sn και Nb–Ti, που αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του μαγνητικού συστήματος του ITER.

13.000 μετρήσεις και ανάλυση δεδομένων

Κάθε καλώδιο έπρεπε να πληροί εξαιρετικά υψηλά πρότυπα. Κατά τη διάρκεια του έργου, η ομάδα έλαβε πάνω από 5.500 δείγματα καλωδίων και πραγματοποίησε περίπου 13.000 ξεχωριστές μετρήσεις. Κάθε δείγμα έπρεπε να υποστεί επεξεργασία και θερμική κατεργασία, με τους φούρνους να φτάνουν θερμοκρασίες άνω των 650° C πριν από τη μέτρηση.

Ιδιαίτερα σημαντική ήταν η στατιστική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε σε αυτό το τεράστιο σύνολο δεδομένων.

Αξιοπιστία μεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων

Η ομάδα του Durham απέδειξε ότι, εφόσον δεν είναι δυνατό να μετρηθεί το ίδιο νήμα πολλαπλές φορές (όπως στην περίπτωση των Nb₃Sn καλωδίων, που μεταβάλλονται με τη θερμική κατεργασία), η μέτρηση γειτονικών νημάτων σε διαφορετικά εργαστήρια μπορεί να λειτουργήσει ως αξιόπιστη εναλλακτική λύση. Αυτό προσφέρει έναν πρακτικό και οικονομικά αποδοτικό τρόπο διασταύρωσης αποτελεσμάτων και διασφάλισης της συνέπειας στην παραγωγή.

Ενεργειακή επανάσταση υπό προϋποθέσεις

Η ενέργεια σύντηξης θα μπορούσε να αλλάξει τα πάντα, αλλά η επιτυχία της εξαρτάται από την ακρίβεια κάθε λεπτομέρειας. Τα καλώδια του ITER πρέπει να μεταφέρουν ρεύματα εκατοντάδες φορές ισχυρότερα από αυτά της οικιακής χρήσης, σε ακραίες συνθήκες.

Ο καθηγητής Hampshire δήλωσε:

«Το Ηνωμένο Βασίλειο είναι παγκόσμιος ηγέτης στην κατασκευή μαγνητών MRI. Το ερώτημα είναι: μπορούμε να ηγηθούμε και στην εμπορευματοποίηση της ενέργειας σύντηξης με χρήση υπεραγώγιμων μαγνητών;»

Η παγκόσμια κούρσα για τη σύντηξη

Τα ευρήματα δημοσιεύονται σε μια περίοδο αυξανόμενης παγκόσμιας κινητοποίησης γύρω από τη σύντηξη. Ενώ το ITER στοχεύει στην παραγωγή πρώτου πλάσματος το 2035, ιδιωτικές εταιρείες φιλοδοξούν να φτάσουν εμπορικά πιο γρήγορα:

• Η Microsoft έχει ήδη υπογράψει συμφωνία για αγορά ηλεκτρικής ενέργειας από το σχεδιαζόμενο εργοστάσιο σύντηξης της Helion το 2028.
• Η Google έχει προπαραγγείλει 200 MW σύντηξης από την Commonwealth Fusion Systems για τη δεκαετία του 2030.

Η συμβολή του Ηνωμένου Βασιλείου

Η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου έχει δεσμεύσει 2,5 δισεκατομμύρια λίρες για την έρευνα στη σύντηξη και κατασκευάζει το δικό της πρωτότυπο εργοστάσιο σύντηξης, STEP, σε πρώην ανθρακωρυχείο στο Nottinghamshire.

Το μέλλον της σύντηξης περνά από το Durham

Όταν ξεκινήσει η λειτουργία του ITER, οι μαγνήτες του θα δημιουργούν από τα ισχυρότερα σταθερά μαγνητικά πεδία που έχουν υπάρξει ποτέ, επιτρέποντας πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης που θα μπορούσαν να παράγουν άφθονη, χαμηλών εκπομπών ενέργεια, χωρίς μακροχρόνια ραδιενεργά απόβλητα.

Η επιτυχία του ITER εξαρτάται από την ποιότητα των υπεραγώγιμων νημάτων, που πλέον έχουν επαληθευτεί από την ομάδα του Durham, δημιουργώντας επίσης έναν ανοιχτό πόρο γνώσης που μπορούν να χρησιμοποιήσουν επιστήμονες παγκοσμίως για τη βελτίωση της τεχνολογίας και των μεθόδων δοκιμής.

Το Πανεπιστήμιο Durham παίζει επίσης πρωταγωνιστικό ρόλο και στο UK Centre for Doctoral Training in Fusion Power, εκπαιδεύοντας τη νέα γενιά επιστημόνων και μηχανικών που θα φέρουν την ενέργεια σύντηξης στο μέλλον.