Tuumasünteesi saavutas tänu reaktori parematele seintele verstaposti

Inglismaa labori teadlased purustasid kontrollitud ja püsiva termotuumasünteesi reaktsiooni käigus toodetud energia rekordi. Tootmine 59 megadžauli energiat viie sekundi jooksul Joint European Torus (JET) eksperimendis Inglismaal on olnud mida mõned uudisteväljaanded nimetavad "läbimurdeks". ja tekitas füüsikute seas päris palju elevust. Kuid ühine seisukoht termotuumasünteesi elektri tootmine kas see on "alati 20 aasta kaugusel. "

Me oleme tuumafüüsik ja tuumainsener kes uurivad, kuidas arendada juhitavat termotuumasünteesi elektri tootmise eesmärgil.

JET-i tulemus näitab märkimisväärseid edusamme termotuumasünteesi füüsika mõistmisel. Kuid sama oluline on see, et termotuumareaktori siseseinte ehitamiseks kasutatud uued materjalid töötasid ettenähtud viisil. Asjaolu, et uus seinakonstruktsioon toimis sama hästi kui see, eraldab need tulemused eelmistest verstapostidest ja suurendab magnetilist sulandumist unenäost reaalsuse poole.

Osakeste kokkusulatamine

Tuumasüntees on kahe aatomituuma ühinemine üheks liittuumaks. Seejärel see tuum laguneb ja vabastab energia uute aatomite ja osakeste kujul, mis reaktsioonist eemalduvad. Termotuumaelektrijaam püüaks välja pääsevad osakesed kinni ja kasutaks nende energiat elektri tootmiseks.

On mõned erinevaid viise termotuumasünteesi ohutuks juhtimiseks Maal. Meie uurimus keskendub JET-i lähenemisele: kasutades võimsad magnetväljad aatomite piiramiseks kuni need kuumutatakse piisavalt kõrgele temperatuurile, et need sulaksid.

Praeguste ja tulevaste reaktorite kütuseks on kaks erinevat vesiniku isotoopi – see tähendab, et neil on üks prooton, kuid erinev arv neutroneid – nn. deuteerium ja triitium. Tavalisel vesinikul on üks prooton ja tuumas pole neutroneid. Deuteeriumil on üks prooton ja üks neutron, triitiumil aga üks prooton ja kaks neutronit.

Termotuumareaktsiooni õnnestumiseks peavad kütuseaatomid esmalt nii kuumaks muutuma, et elektronid tuumadest lahti murduksid. See loob plasma - positiivsete ioonide ja elektronide kogu. Seejärel peate plasmat kuumutama, kuni see saavutab temperatuuri üle 200 miljoni kraadi Fahrenheiti (100 miljoni Celsiuse järgi). Seda plasmat tuleb hoida suletud ruumis suure tihedusega piisavalt pikka aega kütuseaatomid põrkuvad üksteisega kokku ja sulanduvad kokku.

Maa peal termotuumasünteesi kontrollimiseks töötasid teadlased välja sõõrikukujulised seadmed –kutsutakse tokamaks - mis kasutavad plasma hoidmiseks magnetvälju. Sõõriku sisemust ümbritsevad magnetvälja jooned toimivad nagu rongi rööbasteed, mida ioonid ja elektronid järgivad. Plasmasse energiat süstides ja seda üles soojendades on võimalik kiirendada kütuseosakesed nii suure kiiruseni, et nende kokkupõrkel, selle asemel, et üksteiselt tagasi põrgata, sulanduvad kütuse tuumad kokku. Kui see juhtub, vabastavad nad energiat, peamiselt kiiresti liikuvate neutronite kujul.

Sulamisprotsessi ajal triivivad kütuseosakesed kuumast tihedast südamikust järk-järgult eemale ja põrkuvad lõpuks kokku termotuumasünteesi siseseinaga. Et vältida seinte lagunemist nende kokkupõrgete tõttu – mis omakorda saastab ka termotuumasünteesi kütust –, on reaktorid ehitatud nii, et need suunavad eemalduvad osakesed tugevalt soomustatud kambrisse, mida nimetatakse divertoriks. See pumpab ära kõrvalesuunatud osakesed ja eemaldab tokamaki kaitsmiseks liigse soojuse.

Seinad on olulised

Varasemate reaktorite peamiseks piiranguks on olnud asjaolu, et ümbersuunajad ei suuda pidevat osakeste pommitamist üle mõne sekundi üle elada. Termotuumasünteesienergia äriliseks toimimiseks peavad insenerid ehitama tokamaki laeva, mis kestab termotuumasünteesiks vajalikes tingimustes aastaid.

Divertori sein on esimene kaalutlus. Kuigi kütuseosakesed on divertori jõudes palju jahedamad, on neil siiski piisavalt energiat aatomid eralduvad divertori seinamaterjalist, kui nad sellega kokku põrkuvad. Varem oli JET-i divertoril sein grafiidist, kuid grafiit neelab ja püüab praktiliseks kasutamiseks liiga palju kütust kinni.

2011. aasta paiku uuendasid JET-i insenerid suunaja ja anuma siseseinad volframist. Volfram valiti osaliselt seetõttu, et sellel on kõigist metallidest kõrgeim sulamistemperatuur – see on äärmiselt oluline omadus, kui diverter kogeb tõenäoliselt peaaegu soojuskoormust. 10 korda kõrgem kui kosmosesüstiku ninakoonus taassisenemine Maa atmosfääri. Tokamaki sisesein uuendati grafiidist berülliumiks. Berülliumil on termotuumasünteesireaktori jaoks suurepärased termilised ja mehaanilised omadused neelab vähem kütust kui grafiit, kuid talub siiski kõrgeid temperatuure.

Pealkirjadesse sattus toodetud energia JET, kuid me väidame, et tegelikult on uute seinamaterjalide kasutamine see, mis muudab katse tõeliselt muljetavaldavaks, sest tulevased seadmed vajavad neid tugevamaid seinu, et töötada suure võimsusega veelgi pikema aja jooksul. ajast. JET on edukas tõestus kontseptsioonist, kuidas ehitada järgmise põlvkonna termotuumasünteesireaktoreid.

Järgmised termotuumasünteesi reaktorid

JET tokamak on suurim ja kõige arenenum praegu töötav magnetsünteesireaktor. Kuid järgmise põlvkonna reaktorid on juba töös, eelkõige ITERi eksperiment, mis alustab tegevust 2027. aastal. ITER, mis ladina keeles tähendab "tee". ehitatakse Prantsusmaal ning seda rahastab ja juhib rahvusvaheline organisatsioon, kuhu kuuluvad ka USA.

ITER kasutab paljusid materiaalseid edusamme, mida JET näitas, et see on elujõuline. Kuid on ka mõned olulised erinevused. Esiteks on ITER massiivne. Sulamiskamber on 37 jalga (11.4 meetrit) pikk ja 63 jalga (19.4 meetrit) ümber, rohkem kui kaheksa korda suurem kui JET. Lisaks kasutab ITER ülijuhtivaid magneteid, mis on võimelised tootma tugevamad magnetväljad pikemaks ajaks võrreldes JETi magnetitega. Nende uuendustega peaks ITER purustama JETi termotuumasünteesi rekordid nii energiatoodangu kui ka reaktsiooni kestuse osas.

Samuti eeldatakse, et ITER teeb tuumasünteesielektrijaama idee jaoks midagi keskset: toodab rohkem energiat, kui kulub kütuse soojendamiseks. Mudelid ennustavad, et ITER toodab 500 sekundi jooksul pidevalt umbes 400 megavatti võimsust, tarbides samal ajal kütuse soojendamiseks ainult 50 MW energiat. See tähendab reaktorit tootis 10 korda rohkem energiat kui tarbis— JETiga võrreldes oli tohutu edasiminek, mis nõudis ligikaudu kolm korda rohkem energiat kütuse soojendamiseks, kui see toodetakse selle hiljutise jaoks 59 megadžauli rekord.

JETi hiljutised andmed on näidanud, et aastatepikkused plasmafüüsika ja materjaliteaduse alased uuringud on end ära tasunud ja toonud teadlased termotuumasünteesi elektritootmiseks kasutuselevõtu ukse taha. ITER annab tohutu hüppe edasi tööstuslike termotuumaelektrijaamade eesmärgi poole.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Image Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/