همجوشی هسته ای به لطف دیوارهای راکتور بهتر به نقطه عطفی رسید

دانشمندان آزمایشگاهی در انگلستان رکورد میزان انرژی تولید شده در طی یک واکنش همجوشی کنترل شده و پایدار را شکستند. تولید از 59 مگاژول انرژی در طول پنج ثانیه در آزمایش مشترک اروپایی Torus (JET) در انگلستان بوده است برخی از خبرگزاری ها آن را "یک موفقیت بزرگ" می دانند و باعث ایجاد هیجان بسیار زیادی در بین فیزیکدانان شد. اما یک خط مشترک در مورد تولید برق فیوژن این است که "همیشه 20 سال دیگر"

ما یک فیزیکدان هسته ای و یک مهندس هسته ای که چگونگی توسعه همجوشی هسته ای کنترل شده به منظور تولید برق را مطالعه می کنند.

نتیجه JET پیشرفت های قابل توجهی را در درک فیزیک همجوشی نشان می دهد. اما به همان اندازه مهم، نشان می‌دهد که مواد جدیدی که برای ساختن دیواره‌های داخلی راکتور همجوشی استفاده می‌شوند، همان‌طور که در نظر گرفته شده بود، کار می‌کردند. این واقعیت که ساخت دیوار جدید به خوبی انجام شد همان چیزی است که این نتایج را از نقاط عطف قبلی جدا می کند و همجوشی مغناطیسی را افزایش می دهد. از یک رویا به سمت یک واقعیت

ذرات را با هم همجوشی می کنیم

همجوشی هسته ای عبارت است از ادغام دو هسته اتمی در یک هسته مرکب. سپس این هسته از هم جدا می شود و انرژی را به شکل اتم ها و ذرات جدیدی آزاد می کند که با سرعت از واکنش دور می شوند. یک نیروگاه همجوشی ذرات فرار را جذب کرده و از انرژی آنها برای تولید برق استفاده می کند.

یه کمی هست روش های مختلف برای کنترل ایمن همجوشی در زمین. تحقیقات ما بر روی رویکرد اتخاذ شده توسط JET متمرکز است: استفاده میدان های مغناطیسی قوی برای محدود کردن اتم ها تا زمانی که به دمای کافی بالا برسند تا ذوب شوند.

سوخت راکتورهای فعلی و آینده دو ایزوتوپ متفاوت از هیدروژن هستند - به این معنی که آنها دارای یک پروتون هستند، اما تعداد نوترون های متفاوت - به نام دوتریوم و تریتیوم. هیدروژن معمولی دارای یک پروتون و بدون نوترون در هسته خود است. دوتریوم یک پروتون و یک نوترون دارد در حالی که تریتیوم یک پروتون و دو نوترون دارد.

برای موفقیت آمیز بودن واکنش همجوشی، ابتدا اتم های سوخت باید چنان داغ شوند که الکترون ها از هسته جدا شوند. این باعث ایجاد پلاسما می شود - مجموعه ای از یون ها و الکترون های مثبت. سپس باید آن پلاسما را تا زمانی که به دمای بیش از 200 میلیون درجه فارنهایت (100 میلیون سانتیگراد) برسد، گرم کنید. این پلاسما باید در یک فضای محدود با تراکم بالا برای مدت زمان کافی نگهداری شود. اتم های سوخت به یکدیگر برخورد کرده و با هم ذوب می شوند.

برای کنترل همجوشی در زمین، محققان دستگاه‌هایی به شکل دونات ساختند.توکامکس نامیده می شود - که از میدان های مغناطیسی برای مهار پلاسما استفاده می کنند. خطوط میدان مغناطیسی که در اطراف داخل دونات پیچیده شده اند شبیه به آن عمل می کنند مسیرهای قطاری که یون ها و الکترون ها دنبال می کنند. با تزریق انرژی به پلاسما و گرم کردن آن، می‌توان ذرات سوخت را تا سرعت بالایی شتاب داد که در هنگام برخورد، به جای جهش از یکدیگر، هسته‌های سوخت به یکدیگر جوش می‌خورند. وقتی این اتفاق می افتد، آنها انرژی آزاد می کنند، در درجه اول به شکل نوترون های سریع حرکت می کنند.

در طول فرآیند همجوشی، ذرات سوخت به تدریج از هسته داغ و متراکم دور می شوند و در نهایت با دیواره داخلی ظرف همجوشی برخورد می کنند. برای جلوگیری از تخریب دیوارها در اثر این برخوردها - که به نوبه خود سوخت همجوشی را نیز آلوده می کند - راکتورهایی ساخته می شوند که ذرات را به سمت یک محفظه زره پوش سنگین به نام دیورتور هدایت می کنند. این ذرات منحرف شده را پمپ می کند و گرمای اضافی را برای محافظت از توکامک حذف می کند.

دیوارها مهم هستند

یکی از محدودیت‌های اصلی راکتورهای گذشته این واقعیت است که انحراف‌کننده‌ها نمی‌توانند بیش از چند ثانیه در برابر بمباران ذرات ثابت دوام بیاورند. برای اینکه نیروی همجوشی به صورت تجاری کار کند، مهندسان باید یک کشتی توکامک بسازند که برای سالها استفاده در شرایط لازم برای همجوشی زنده بماند.

دیوار دایورتور اولین نکته است. اگرچه ذرات سوخت وقتی به دیورتور می رسند بسیار خنک تر می شوند، اما هنوز انرژی کافی برای این کار دارند اتم های کوبنده از مواد دیواره دیورتور هنگام برخورد با آن جدا می شوند. پیش از این، دیورتور JET دارای دیواری از گرافیت بود، اما گرافیت مقدار زیادی از سوخت را برای استفاده عملی جذب و به دام می اندازد.

در حدود سال 2011، مهندسان در JET دیواره‌های مخرب و داخلی کشتی را به تنگستن ارتقا دادند. تنگستن تا حدودی به این دلیل انتخاب شد که بالاترین نقطه ذوب را در بین فلزات دارد - یک ویژگی بسیار مهم زمانی که دیورتور احتمالاً بارهای گرمایی را تقریباً تجربه می کند. 10 برابر بالاتر از مخروط بینی یک شاتل فضایی ورود مجدد به جو زمین دیواره داخلی رگ توکامک از گرافیت به بریلیوم ارتقا یافت. بریلیم دارای خواص حرارتی و مکانیکی عالی برای راکتور همجوشی - آن است سوخت کمتری نسبت به گرافیت جذب می کند اما همچنان می تواند در برابر دماهای بالا مقاومت کند.

انرژی جت تولید شده همان چیزی بود که خبرساز شد، اما ما می‌توانیم استدلال کنیم که در واقع استفاده از مواد دیواری جدید است که آزمایش را واقعاً چشمگیر می‌کند، زیرا دستگاه‌های آینده برای کارکردن با قدرت بالا برای دوره‌های طولانی‌تر به این دیوارهای مقاوم‌تر نیاز خواهند داشت. از زمان JET اثبات موفقیت آمیز مفهومی برای چگونگی ساخت نسل بعدی راکتورهای همجوشی است.

راکتورهای همجوشی بعدی

JET tokamak بزرگترین و پیشرفته ترین راکتور همجوشی مغناطیسی است که در حال حاضر فعال است. اما نسل بعدی راکتورها در حال حاضر در دست ساخت هستند، به ویژه آزمایش ITER، قرار است در سال 2027 فعالیت خود را آغاز کند. ITER که به زبان لاتین "راه" است در حال ساخت در فرانسه و توسط یک سازمان بین المللی که شامل ایالات متحده است، تامین مالی و هدایت می شود.

ITER قرار است از بسیاری از پیشرفت‌های موادی که JET نشان داده است قابل استفاده است استفاده کند. اما برخی از تفاوت های کلیدی نیز وجود دارد. اول، ITER عظیم است. محفظه همجوشی است 37 فوت (11.4 متر) قد و 63 فوت (19.4 متر) در اطراف، بیش از هشت برابر بزرگتر از JET. علاوه بر این، ITER از آهنرباهای ابررسانا با قابلیت تولید استفاده خواهد کرد میدان مغناطیسی قوی تر برای مدت زمان طولانی تر در مقایسه با آهنرباهای JET. با این ارتقاها، انتظار می‌رود ITER رکوردهای همجوشی JET را هم برای خروجی انرژی و هم برای مدت زمان انجام واکنش شکست دهد.

همچنین انتظار می‌رود ITER برای ایده نیروگاه همجوشی کاری اساسی انجام دهد: تولید انرژی بیشتر از آنچه برای گرم کردن سوخت لازم است. مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که ITER حدود 500 مگاوات برق به‌طور مداوم به مدت 400 ثانیه تولید می‌کند در حالی که تنها 50 مگاوات انرژی برای گرم کردن سوخت مصرف می‌کند. این یعنی راکتور 10 برابر بیشتر از مصرف انرژی تولید کرد- یک پیشرفت بزرگ نسبت به JET، که نیاز داشت انرژی برای گرم کردن سوخت تقریباً سه برابر بیشتر از انرژی تولید شده است برای اخیرش رکورد 59 مگاژول.

سوابق اخیر JET نشان داده است که سالها تحقیق در فیزیک پلاسما و علم مواد نتیجه داده و دانشمندان را به آستانۀ مهار همجوشی برای تولید برق رسانده است. ITER جهشی عظیم به سمت هدف نیروگاه های همجوشی در مقیاس صنعتی ایجاد خواهد کرد.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: Rswilcox/در ویکیانبار موجود

• Coinsmart. بهترین صرافی بیت کوین و کریپتو اروپا.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی رایگان.
• CryptoHawk. رادار آلت کوین امتحان رایگان.
• منبع: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/