Prva praktična primjena postojećih fuzijskih reaktora

U svijetu danas postoji nekoliko stotina eksperimentalnih fuzijskih tokamak reaktora među kojima su europski ITER koji se razvija u kolaboraciji 35 država među kojima je i Hrvatska te američki DIII-D kojim upravlja Ministarstvo energetike SAD-a.

Unutar tokamaka, snažni magneti se koriste za držanje vrtložne plazme pod visokim tlakom, omogućujući joj da dosegne desetke milijuna stupnjeva potrebnih za spajanje atoma i oslobađanje energije. Za sada, eksperimenti fuzije još uvijek troše više električne energije nego što je generiraju pa za praktičnu primjenu fuzijske energije treba proći još nekoliko desetljeća.

No Eva Kostadinova, stručnjakinja za plazmu na Sveučilištu Auborn i njezin suradnik Dimitri Orlov sa Sveučilišta UC San Diego zaključili su da bi plazma unutar ovih reaktora mogla biti savršeno okruženje za simulaciju letjelice koja ulazi u atmosferu plinovitog diva Jupitera. Za usporedbu rezultata imali su podatke atmosferske sonde s NASA-ine letjelice Galileo koja je 7. prosinca 1995. ušla u atmosferu Jupitera brzinom od 48 km/s i slala podatke punih 58 minuta na temperaturi oko 16.000°C.

Kostadinova i Orlov zajedno su koristili DIII-D reaktor za izvođenje niza eksperimenata na ablaciji, odnosno trošenju površinskog sloja materijala s toplinskih štitova letjelica, čime se oponaša ulazak sondi u atmosferu Jupitera.  

Koristeći priključak na dnu tokamaka, umetnuli su niz ugljikovih šipki u tok plazme i koristili brze i infracrvene kamere i spektrometre kako bi pratili kako se raspadaju. Pored toga također su velikom brzinom ispalili male kuglice ugljika u reaktor, oponašajući u maloj mjeri ono na što je toplinski štit na sondi Galileo naišao u Jupiterovoj atmosferi.

Uvjeti unutar tokamaka bili su nevjerojatno slični u pogledu temperature plazme, brzine kojom je tekla preko materijala, pa čak i njegovog sastava. Jupiterova atmosfera je uglavnom vodik i helij, a DIII-D tokamak koristi deuterij, koji je izotop vodika. "Umjesto da nešto lansiramo vrlo velikom brzinom, mi stavljamo stacionarni objekt u vrlo brz tok", kaže Orlov.

Eksperimenti koji su predstavljeni na simpoziju American Physical Societya u Pittsburghu ovog mjeseca, pomogli su potvrditi modele ablacije koje su razvili NASA-ini znanstvenici koristeći podatke poslane iz sonde Galileo, no služe i kao dokaz koncepta za novu vrstu testiranja. "Otvaramo novo polje istraživanja", kaže Orlov. “Nitko to prije nije učinio.”

To je nešto što je prijeko potrebno u industriji. "Došlo je do kašnjenja s novim postupcima testiranja", kaže Yanni Barghouty, osnivač startupa Cosmic Shielding Corporation, koji gradi štitove za svemirske letjelice. "Omogućuje vam da prototipirate puno brže i jeftinije jer postoji povratna petlja."

Uz daljnje eksperimente, Orlov i Kostadinova se nadaju da se modeli mogu poboljšati i koristiti za optimizaciju dizajna toplinskih štitova za buduće misije – stavljajući više materijala tamo gdje je potrebno, ali i uklanjajući ga tamo gdje nije. NASA-ina misija DAVINCI+, koja bi trebala biti lansirana prema Veneri pred kraj desetljeća, mogla bi biti prva koja će iskoristiti testiranja u fuzijskom reaktoru. Sastoji se od orbitera i sonde za spuštanje, kojoj će trebati snažan štit dok pada kroz vruću, gustu Venerinu atmosferu. Sonda Galileo naučila je znanstvenike mnogo o formiranju Sunčevog sustava, ali s boljim toplinskim štitom mogla je učiniti mnogo više.

Osim toga, tehnika bi se mogla koristiti za testiranje novih materijala, kao što je silicij karbid, ili novih oblika toplinskog štita koji koriste mješavinu pasivnih materijala koji se uklanjaju i drugih komponenti.

Istraživanje bi također moglo pomoći i u dizajnu samih fuzijskih reaktora. Do sada je većina istraživanja razumljivo bila usredotočena na reakcije jezgre plazme unutar tokamaka. Ali kako se nuklearna fuzija približava komercijalizaciji, bit će potrebno više pažnje posvetiti konstrukciji reaktora i dizajnu materijala koji mogu sadržavati reakciju fuzije i sigurno raspršiti energiju ako stvari pođu po zlu.