Ερευνητές ανέπτυξαν υπερ-ανθεκτικό χάλυβα με δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει το ενεργειακό μέλλον

Για να κατασκευαστούν αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης, απαιτούνται υλικά εξαιρετικά ανθεκτικά στις σκληρές συνθήκες λειτουργίας τους — και ένα νέο υλικό που αναπτύχθηκε στην Κίνα φαίνεται ικανό να αντέχει σε αυτές τις ακραίες συνθήκες.

Ένας νέος τύπος «υπερχάλυβα» έχει σχεδιαστεί ώστε να αντέχει τις εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που επικρατούν στο εσωτερικό των αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης — συσκευές που αναπαράγουν τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στον πυρήνα του ήλιου. Η ανάπτυξή του δημιουργεί προσδοκίες για μια πιο ασφαλή και βιώσιμη ενεργειακή λύση στο μέλλον.Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το νέο αυτό υλικό θα μπορούσε να αποτελέσει θεμελιώδες στοιχείο στην εξέλιξη της επόμενης γενιάς αντιδραστήρων σύντηξης, φέρνοντας την ανθρωπότητα πιο κοντά σε μια καθαρή και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Στην «καρδιά» κάθε αντιδραστήρα σύντηξης βρίσκεται το κεντρικό σωληνοειδές, κατασκευασμένο από ειδικά ενισχυμένο ανοξείδωτο χάλυβα, σχεδιασμένο να αντέχει τόσο σε ακραίες θερμοκρασίες όσο και σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, προσφέροντας την απαραίτητη προστασία στη δομή του αντιδραστήρα.

Σύμφωνα με Κινέζους ερευνητές, ο νέος αυτός υπερχάλυβας —με την ονομασία China High-Strength Low-Temperature Steel No. 1 (CHSN01)— μπορεί να αντέξει μαγνητικά πεδία έντασης έως και 20 Τέσλα. Αυτό τον καθιστά πιο αποδοτικό από το ατσάλι που προορίζεται για χρήση στο διεθνές έργο σύντηξης ITER, ξεπερνώντας το σε αντοχή και επιδόσεις.

Η Κίνα ενσωματώνει τον CHSN01 στο υπεραγώγιμο Tokamak του Πειράματος Καύσης Πλάσματος (BEST) και το υλικό αυτό αναμένεται να έχει σημαντική εφαρμογή σε μελλοντικά προγράμματα σύντηξης.

Οι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι ότι, όταν ένας αντιδραστήρας περιέχει υπερθερμαινόμενο πλάσμα, τροφοδοτούμενο με βαριά ισότοπα του υδρογόνου, δηλαδή δευτέριο και τρίτιο, και λειτουργεί σε θερμοκρασίες που φτάνουν περίπου τους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, τότε δημιουργείται μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση σύντηξης που μπορεί να παράγει σχεδόν απεριόριστες ποσότητες καθαρής ενέργειας.

Τα τοκάμακ σε παγκόσμιο επίπεδο — καθώς και η επιτυχής ανάφλεξη σύντηξης που επιτεύχθηκε από το National Ignition Facility το 2022 — έχουν επιβεβαιώσει πολλές φορές τη βιωσιμότητα αυτής της διαδικασίας. Το κύριο εμπόδιο όμως παραμένει τα κατάλληλα υλικά που απαιτούνται για την κατασκευή των αντιδραστήρων.

«Χρειαζόμαστε μια ουσιαστική λύση. Πρέπει να διαθέτουμε υλικά ικανά να συγκρατήσουν το σύστημα σε αυτές τις ακραίες θερμοκρασίες, ώστε να λειτουργεί αποτελεσματικά», δήλωσε ο Phil Ferguson, Διευθυντής του προγράμματος Material Plasma Exposure eXperiment (MPEX) στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, σε συνέντευξή του στο Popular Mechanics το 2024. «Είναι απαραίτητο να ανακαλύψουμε νέα υλικά».

Τι απαιτείται για την ομαλή λειτουργία ενός αντιδραστήρα σύντηξης;

Για να λειτουργήσει σωστά ένας αντιδραστήρας σύντηξης, χρειάζεται όχι μόνο εξαρτήματα όπως ο εκτροπέας (divertor) που μπορούν να αντέξουν την έντονη θερμότητα του πλάσματος, αλλά και άλλα μέρη της μηχανής που πρέπει να λειτουργούν και να διατηρούν τις ιδιότητές τους σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Ένα από αυτά τα κρίσιμα μέρη είναι το κεντρικό σωληνοειδές, η καρδιά του αντιδραστήρα, το οποίο δημιουργεί το μεγαλύτερο μέρος της μαγνητικής ροής που συγκρατεί το πλάσμα. Αυτό τροφοδοτείται από υπερψυχρούς υπεραγωγούς που βρίσκονται μέσα σε ειδικούς αγωγούς.

Η προστατευτική θήκη γύρω από το κεντρικό σωληνοειδές πρέπει να είναι φτιαγμένη από χάλυβα με εξαιρετικές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (κρυογενικές), ενώ παράλληλα να αντέχει σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Ο χάλυβας που μπορεί να αντέξει σε πολύ δύσκολες και ακραίες συνθήκες

Ο Διεθνής Πειραματικός Θερμοπυρηνικός Αντιδραστήρας (ITER), ο πιο εξελιγμένος τοκάμακ παγκοσμίως, που προβλέπεται να παράξει το πρώτο του πλάσμα το 2034, χρησιμοποιεί ως υλικό τον ανοξείδωτο χάλυβα 316LN, ο οποίος έχει σχεδιαστεί να αντέχει σε μέγιστο μαγνητικό πεδίο 11,8 Τέσλα.

Ωστόσο, ένα πρόσφατο άρθρο από το κρατικό μέσο South China Morning Post (SCMP) αναφέρει ότι Κινέζοι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο υλικό που υπερτερεί ακόμα και από τον χάλυβα που χρησιμοποιείται ως «προστατευτικό» στον ITER.

Αυτό το «υπερατσάλι», με την ονομασία China high-strength low-temperature steel No. 1 (CHSN01), έχει την ικανότητα να αντέχει μαγνητικά πεδία έως 20 Τέσλα και πίεση μέχρι 1.500 μεγαπάσκαλ (MPa).

Οι επιστήμονες παρουσίασαν τη 12ετή διαδικασία παραγωγής αυτού του ειδικού χάλυβα στην επιστημονική επιθεώρηση Applied Sciences τον Μάιο που πέρασε.

πηγή Enikos/επιμέλεια  Π&Π