Ερευνητές στο MIT, στο πλαίσιο του MIT Energy Initiative (MITEI), βρήκαν τρόπο να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των υλικών στις εξαιρετικά έντονες συνθήκες μέσα σε έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης.
Για πολλές δεκαετίες, η πυρηνική σύντηξη θεωρείται ως η απόλυτη πηγή ενέργειας. Ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής πυρηνικής σύντηξης θα μπορούσε να παράγει ενέργεια - χωρίς εκπομπές άνθρακα - σε κλίμακα που απαιτείται για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Και θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί από δευτέριο που ανακτάται από μια ουσιαστικά ατελείωτη πηγή, το θαλασσινό νερό.
Δεκαετίες ερευνών και δισεκατομμύρια δολάρια χρηματοδοτήσεων έχουν οδηγήσει σε σημαντική πρόοδο στον τομέα, ωστόσο οι προκλήσεις παραμένουν. Για τον Ju Li, καθηγητή της έδρας TEPCO στην Πυρηνική Επιστήμη και Μηχανική και καθηγητή στο MIT, υπάρχουν ακόμα δύο μεγάλες προκλήσεις. Η πρώτη είναι η κατασκευή ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας από πυρηνική σύντηξη που παράγει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει. Με άλλα λόγια, παράγει μια καθαρή παραγωγή ισχύος. Οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο σημειώνουν πρόοδο προς την επίτευξη αυτού του στόχου.
Η δεύτερη πρόκληση που αναφέρει ο Li αφορά στο «Πώς απάγουμε τη θερμότητα;». Παρόλο που στο μυαλό των περισσοτέρων η πρόκληση αυτη μοιάζει μάλλον εύκολη, στην πραγματικότητα η κατανόηση του προβλήματος και η εύρεση λύσης δεν είναι καθόλου προφανή ζητήματα.
Η έρευνα στο πλαίσιο του MIT Energy Initiative (MITEI) περιλαμβάνει την ανάπτυξη και τη δοκιμή προηγμένων υλικών που μπορεί να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, καθώς και πολλών άλλων προκλήσεων της ενεργειακής μετάβασης. Το MITEI έχει πολλά μέλη που υποστηρίζουν τις προσπάθειες του MIT για την προώθηση των τεχνολογιών που απαιτούνται για την αξιοποίηση της ενέργειας από την πυρηνική σύντηξη.
Το πρόβλημα: Η αφθονία ηλίου, μια καταστροφική δύναμη
Το κλειδί για έναν αντιδραστήρα σύντηξης είναι ένα υπερθερμασμένο πλάσμα - ένα ιονισμένο αέριο - που αντιδρά μέσα σε ένα δοχείο κενού. Καθώς τα ελαφρά άτομα στο πλάσμα συνδυάζονται για να σχηματίσουν βαρύτερα, απελευθερώνουν νετρόνια υψηλών ταχυτήτων με υψηλή κινητική ενέργεια που εκτοξεύονται μέσω του περιβάλλοντος δοχείου κενού σε ένα ψυκτικό υγρό.
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα νετρόνια υψηλών ταχυτήτων σταδιακά χάνουν την ενέργεια τους, προκαλώντας φθορά λόγω της ακτινοβολίας και δημιουργώντας θερμότητα. Η θερμότητα που μεταφέρεται στο ψυκτικό μέσο χρησιμοποιείται τελικά για την παραγωγή ατμού που περιστρέφει έναν στρόβιλο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Το πρόβλημα είναι να βρεθεί ένα υλικό για το δοχείο κενού που να παραμένει αρκετά ισχυρό ώστε να διατηρεί το πλάσμα που αντιδρά και το ψυκτικό υγρό χωριστά, ενώ θα επιτρέπει στα ιδιαίτερα κινητικά νετρόνια να διέλθουν στο ψυκτικό μέσο. Αν σκεφτεί κανείς μόνο τη φθορά που οφείλεται στα νετρόνια που χτυπούν τα άτομα του μεταλλικού υλικού του δοχείου, το δοχείο κενού θα μπορούσε να διαρκέσει, για παράδειγμα, έως και δέκα χρόνια.
Ωστόσο, ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του δοχείου κενού, ορισμένες προσομοιώσεις δείχνουν ότι το δοχείο κενού θα διαρκέσει μόνο έξι έως 12 μήνες. Που οφείλεται όμως αυτό; Οι σημερινοί αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης παράγουν επίσης νετρόνια και αυτοί οι αντιδραστήρες διαρκούν πολύ περισσότερο από ένα χρόνο. Η διαφορά είναι ότι τα νετρόνια που παράγονται από την πυρηνική σύντηξη διαθέτουν πολύ υψηλότερη κινητική ενέργεια από τα νετρόνια που παράγονται από την πυρηνική σχάση και καθώς διεισδύουν στα τοιχώματα του δοχείου κενού, μερικά από αυτά αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες των ατόμων στο δομικό υλικό, δίνοντας σωματίδια που μετατρέπονται γρήγορα σε άτομα ηλίου.
Το αποτέλεσμα είναι εκατοντάδες φορές περισσότερα άτομα ηλίου από αυτά που υπάρχουν σε έναν αντιδραστήρα σχάσης. Αυτά τα άτομα ηλίου αναζητούν ένα σημείο με χαμηλή «embedding energy», ένα μέγεθος που δείχνει πόση ενέργεια χρειάζεται για να απορροφηθεί ένα άτομο ηλίου. Όπως εξηγεί ο Li, «τα άτομα ηλίου πριτμούν τα μέρη με χαμηλή embedding energy». Και στα μέταλλα που χρησιμοποιούνται για τα δοχεία κενού, υπάρχουν μέρη με σχετικά χαμηλή embedding energy, όπως επίσης και συγκεκριμένα φυσικά κενά που ονομάζονται όρια κόκκων και απαντώνται στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου.
Τα μέταλλα αποτελούνται από μεμονωμένους κόκκους μέσα στους οποίους τα άτομα παρατάσσονται με τάξη. Όπου ενώνονται οι κόκκοι, υπάρχουν κενά όπου τα άτομα δεν ευθυγραμμίζονται. Αυτός ο ανοιχτός χώρος έχει σχετικά χαμηλή embedding energy, επομένως τα άτομα ηλίου συγκεντρώνονται εκεί. Ακόμη χειρότερα, τα άτομα ηλίου έχουν απωθητική αλληλεπίδραση με άλλα άτομα, έτσι τα άτομα ηλίου ουσιαστικά μεγαλώνουν το κενό ανάμεσα στους κόκκους. Με την πάροδο του χρόνου, το άνοιγμα μετατρέπεται σε ρωγμή και το δοχείο κενού αστοχεί.
Στη βάση μόνο του αριθμού των ατόμων ηλίου που υπάρχουν, αυτή η συνάθροιση ατόμων ηλίου εξηγεί γιατί τα δοχεία κενού αστοχούν πολύ νωρίτερα από το αναμενόμενο,. Ο Li προσφέρει μια αναλογία. «Η Βαβυλώνα είναι μια πόλη ενός εκατομμυρίου ανθρώπων. Αλλά ο ισχυρισμός είναι ότι 100 κακοί άνθρωποι μπορούν να καταστρέψουν ολόκληρη την πόλη, αν όλοι αυτοί οι κακοί άνθρωποι εργάζονται στο δημαρχείο». Η λύση; Δώστε σε αυτούς τους κακούς ανθρώπους άλλα, πιο ελκυστικά μέρη για να πάνε.
Για τον Li, το πρόβλημα και η πιθανή λύση είναι το ίδιο σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης. Εάν πολλά άτομα ηλίου πάνε στο όριο των κόκκων ταυτόχρονα, μπορούν να καταστρέψουν το μεταλλικό τοίχωμα. Η λύση; Προσθέστε μια μικρή ποσότητα υλικού που έχει embedding energy ηλίου ακόμη χαμηλότερη από αυτή του ορίου των κόκκων. Και τα τελευταία δύο χρόνια, ο Li και η ομάδα του απέδειξαν - τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά - ότι αυτή η τεχνική λειτουργεί. Προσθέτοντας νανοσωματίδια ενός προσεκτικά επιλεγμένου δεύτερου υλικού στο μεταλλικό τοίχωμα, ανακάλυψαν ότι μπορούν να εμποδίσουν τα άτομα ηλίου που σχηματίζονται να συσσωρεύονται στα δομικά ευάλωτα όρια των κόκκων του μετάλλου.
Αναζητώντας ενώσεις που απορροφούν το ήλιο
Για να δοκιμάσουν την ιδέα τους, ο Yeon Kim του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών και ο Haowei Xu του Τμήματος Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής απέκτησαν ένα δείγμα που αποτελείται από δύο υλικά ή «φάσεις», το ένα με χαμηλότερη embedding energy ηλίου από το άλλο. Στη συνέχεια, αυτοί και οι συνεργάτες τους εμφύτευσαν ιόντα ηλίου στο δείγμα σε θερμοκρασία παρόμοια με αυτή σε έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης και παρακολούθησαν τη δημιουργία φυσαλίδων ηλίου. Οι εικόνες από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης, επιβεβαίωσαν ότι οι φυσαλίδες ηλίου εμφανίστηκαν κυρίως στη φάση με τη χαμηλότερη embedding energy ηλίου. Όπως σημειώνει ο Li, «Όλη η ζημιά συγκεντρώνεται σε αυτή τη φάση, απόδειξη ότι προστάτεψε τη φάση με την υψηλότερη embedding energy».
Έχοντας επιβεβαιώσει την προσέγγιση τους, οι ερευνητές ήταν έτοιμοι να αναζητήοσυν ενώσεις που απορροφούν ήλιο και λειτουργούν καλά με τον σίδηρο, ο οποίος είναι συχνά το κύριο μέταλλο στα τοιχώματα των δοχείων κενού. «Αλλά ο υπολογισμός της embedding energy ηλίου για όλα τα είδη διαφορετικών υλικών θα ήταν υπολογιστικά μία απαιτητική και δαπανηρή διαδικασία», λέει ο Kim. «Θέλαμε να βρούμε ένα μέγεθος που να είναι εύκολο να υπολογιστεί και έναν αξιόπιστο δείκτη της embedding energy ηλίου».
Και όντως βρήκαν ένα τέτοιο μέγεθος: τον «ελεύθερο όγκο ατομικής κλίμακας» (atomic-scale free volume), ο οποίος είναι βασικά το μέγιστο μέγεθος του εσωτερικού κενού χώρου που είναι διαθέσιμος για την πιθανή συγκέντρωση των ατόμων ηλίου. «Αυτή είναι μόνο η ακτίνα της μεγαλύτερης σφαίρας που μπορεί να χωρέσει σε μια δεδομένη κρυσταλλική δομή», εξηγεί ο Kim.
«Είναι ένας απλός υπολογισμός». Η εξέταση μιας σειράς πιθανών κεραμικών υλικών που απορροφούν ήλιο επιβεβαίωσε ότι ο ελεύθερος ατομικός όγκος συσχετίζεται καλά με την embedding energy ηλίου. Επιπλέον, πολλά από τα κεραμικά που εξέτασε η ομάδα έχουν υψηλότερο ελεύθερο όγκο, άρα χαμηλότερη embedding energy από τα όρια των κόκκων.
Ωστόσο, προκειμένου να εντοπιστούν οι κατάλληλες εναλλακτικές για περιβάλλοντα πυρηνικής σύντηξης, ο έλεγχος έπρεπε να περιλαμβάνει και ορισμένους άλλους παράγοντες. Για παράδειγμα, εκτός από τον ελεύθερο όγκο ατομική κλίμακας, μια καλή δεύτερη φάση πρέπει να διαθέτει μηχανική αντοχή. Δεν πρέπει να μετατρέπεται σε ραδιενεργό υλικό με την έκθεση της σε νετρόνια και πρέπει να είναι συμβατή - αλλά όχι πολύ - με το περιβάλλον μέταλλο, ώστε να επιτυγχάνεται καλή διασπορά χωρίς να διαλύεται. «Θέλουμε να διασκορπίσουμε την κεραμική φάση ομοιόμορφα στο μέταλλο για να διασφαλίσουμε ότι όλες οι οριακές περιοχές των κόκκων είναι κοντά στη διεσπαρμένη κεραμική φάση, ώστε να μπορεί να παρέχει προστασία σε αυτές τις περιοχές», λέει ο Li. «Οι δύο φάσεις πρέπει να συνυπάρχουν και το κεραμικό δεν πρέπει να συσσωρευτεί ή να διαλυθεί πλήρως στο σίδηρο».
Χρησιμοποιώντας τα αναλυτικά τους εργαλεία, οι Kim και Xu εξέτασαν περίπου 50.000 ενώσεις και εντόπισαν 750 πιθανούς υποψηφίους. Από αυτούς, μια καλή επιλογή για συμπερίληψη σε ένα τοίχωμα δοχείου κενού κατασκευασμένο κυρίως από σίδηρο ήταν ο πυριτικός σίδηρος (iron silicate).
Πειραματική δοκιμή
Οι ερευνητές ήταν έτοιμοι να εξετάσουν δείγματα στο εργαστήριο. Για την κατασκευή του σύνθετου υλικού με σκοπό την απόδειξη της ιδέας, ο Kim και οι συνεργάτες του διέσπειραν νανοσωματίδια πυριτικού σιδήρου σε σίδηρο και εμφύτευσαν ήλιο σε αυτό το σύνθετο υλικό. Έλαβαν εικόνες περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) πριν και μετά την εμφύτευση του ηλίου και επίσης υπολόγισαν τα θεωρητικά μοτίβα XRD.
Η αναλογία μεταξύ του εμφυτευμένου ηλίου και του διεσπαρμένου πυριτικού σιδήρου ελέγχθηκε προσεκτικά για να επιτραπεί άμεση σύγκριση μεταξύ των πειραματικών και των υπολογισμένων προτύπων XRD. Η μετρούμενη ένταση XRD άλλαξε με την εμφύτευση ηλίου ακριβώς όπως είχαν προβλέψει οι υπολογισμοί. «Αυτή η συμφωνία επιβεβαιώνει ότι το ατομικό ήλιο αποθηκεύεται στο πλέγμα του πυριτικού σιδήρου», λέει ο Kim.
Στη συνέχεια, ο Kim μέτρησε απευθείας τον αριθμό των φυσαλίδων ηλίου στο σύνθετο υλικό. Σε δείγματα σιδήρου χωρίς προσθήκη πυριτικού σιδήρου, τα όρια των κόκκων πλαισιώθηκαν από πολλές φυσαλίδες ηλίου. Αντίθετα, στα δείγματα σιδήρου με την προσθήκη κεραμικής φάσης πυριτικού σιδήρου, οι φυσαλίδες ηλίου διασκορπίστηκαν σε όλο το υλικό, με πολύ λιγότερες να εμφανίζονται κατά μήκος των ορίων των κόκκων.
Προκύπτει συνεπώς ότι ο πυριτικός σίδηρος παρείχε θέσεις με χαμηλή embedding energy ηλίου, οι οποίες προσέλκυσαν τα άτομα ηλίου μακριά από τα όρια των κόκκων, προστατεύοντας αυτά τα ευάλωτα ανοίγματα και αποτρέποντας τη δημιουργία ρωγμών και την καταστροφική αστοχία του δοχείου κενού.
Οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η προσθήκη μόλις 1% κατ' όγκο πυριτικού σιδήρου στα σιδερένια τοιχώματα του δοχείου κενού, θα μειώσει τον αριθμό των φυσαλίδων ηλίου στο μισό και επίσης θα μειώσει τη διάμετρο τους κατά 20%. «Το να έχεις πολλές μικρές φυσαλίδες είναι εντάξει, αν δεν είναι στα όρια των κόκκων», εξηγεί ο Li.
Επόμενα βήματα
Μέχρι στιγμής, ο Li και η ομάδα του έχουν περάσει από τις υπολογιστικές μελέτες του προβλήματος και μια πιθανή λύση, σε πειραματικές επιδείξεις που επιβεβαιώνουν την προσέγγιση τους. Και βρίσκονται σε καλό δρόμο για την εμπορική κατασκευή εξαρτημάτων. «Έχουμε παράξει σκόνες που είναι συμβατές με υπάρχοντες εμπορικούς τρισδιάστατους εκτυπωτές και περιέχουν κεραμικά που απορροφούν ήλιο», λέει ο Li.
Τα νανοσωματίδια που απορροφούν ήλιο είναι καλά διασκορπισμένα και θα πρέπει να παρέχουν επαρκή πρόσληψη ηλίου για την προστασία των ευάλωτων ορίων των κόκκων στα δομικά μέταλλα των τοιχωμάτων των δοχείων κενού. Ενώ ο Li επιβεβαιώνει ότι πρέπει να γίνει περισσότερη επιστημονική και μηχανολογική δουλειά, μαζί με τον Alexander O'Brien και τον Kang Pyo So του Τμήματος Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής, έχουν ήδη ιδρύσει μία νεοφυή επιχείρηση που είναι έτοιμη να κατασκευάσει μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης δομικά υλικά που μπορούν να ανταποκριθούν σε όλες τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα δοχεία κενού σε έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης.
Με πληροφορίες από news.mit.edu
