Ydinfuusio saavutti virstanpylvään paremman reaktorin seinän ansiosta

Englannin laboratorion tutkijat ovat rikkoneet ennätyksen hallitun, jatkuvan fuusioreaktion aikana tuotetun energian määrästä. Tuotanto 59 megajoulea energiaa viiden sekunnin aikana Joint European Torus (JET) -kokeessa Englannissa on ollut jota jotkut uutiskanavat kutsuvat "läpimurrokseksi". ja aiheutti melko paljon jännitystä fyysikkojen keskuudessa. Mutta yhteinen linja asiaan fuusiosähkön tuotanto onko se "aina 20 vuoden päässä"

Me olemme ydinfyysikko ja ydininsinööri jotka tutkivat hallitun ydinfuusion kehittämistä sähkön tuotantoa varten.

JET-tulos osoittaa huomattavaa edistystä fuusion fysiikan ymmärtämisessä. Mutta yhtä tärkeää se osoittaa, että fuusioreaktorin sisäseinien rakentamiseen käytetyt uudet materiaalit toimivat tarkoitetulla tavalla. Se, että uusi seinärakenne toimi yhtä hyvin kuin se teki, erottaa nämä tulokset aikaisemmista virstanpylväistä ja kohottaa magneettista fuusiota unesta kohti todellisuutta.

Hiukkasten sulattaminen yhteen

Ydinfuusio on kahden atomiytimen sulautumista yhdeksi yhdisteytimeksi. Tämä ydin sitten hajoaa ja vapauttaa energiaa uusien atomien ja hiukkasten muodossa, jotka nopeutuvat reaktiosta. Fuusiovoimalaitos kerää karkaavat hiukkaset ja käyttäisi niiden energiaa sähkön tuottamiseen.

On olemassa muutamia erilaisia ​​tapoja hallita fuusiota turvallisesti maan päällä. Tutkimuksemme keskittyy JET:n lähestymistapaan: käyttämällä voimakkaat magneettikentät rajoittamaan atomeja kunnes ne kuumennetaan tarpeeksi korkeaan lämpötilaan, jotta ne sulautuvat.

Nykyisten ja tulevien reaktorien polttoaineena on kaksi erilaista vedyn isotooppia – eli niissä on yksi protoni, mutta eri määrä neutroneja – ns. deuterium ja tritium. Normaalissa vedyssä on yksi protoni, eikä ytimessä ole neutroneja. Deuteriumissa on yksi protoni ja yksi neutroni, kun taas tritiumissa on yksi protoni ja kaksi neutronia.

Jotta fuusioreaktio onnistuisi, polttoaineatomien tulee ensin kuumeta niin, että elektronit irtoavat ytimistä. Tämä luo plasman - kokoelman positiivisia ioneja ja elektroneja. Sinun on sitten lämmitettävä plasmaa, kunnes se saavuttaa yli 200 miljoonan Fahrenheit-asteen (100 miljoonaa Celsius-astetta). Tämä plasma on säilytettävä suljetussa tilassa suurilla tiheyksillä riittävän pitkän ajan polttoaineatomit törmäävät toisiinsa ja sulautuvat yhteen.

Fusion hallitsemiseksi maan päällä tutkijat kehittivät donitsin muotoisia laitteita.nimeltään tokamaks - jotka käyttävät magneettikenttiä plasman säilyttämiseen. Donitsin sisäpuolen ympärille kietoutuvat magneettikenttäviivat toimivat kuten junaradat, joita ionit ja elektronit seuraavat. Ruiskuttamalla energiaa plasmaan ja lämmittämällä sitä voidaan kiihdyttää polttoainehiukkaset niin suuriin nopeuksiin, että niiden törmäyksessä polttoaineytimet sulautuvat toisiinsa sen sijaan, että ne pomppasivat toisistaan. Kun tämä tapahtuu, he vapauttavat energiaa, pääasiassa nopeasti liikkuvien neutronien muodossa.

Fuusioprosessin aikana polttoainehiukkaset ajautuvat vähitellen pois kuumasta, tiheästä ytimestä ja törmäävät lopulta fuusioastian sisäseinään. Seinien hajoamisen estämiseksi näiden törmäysten vuoksi – mikä puolestaan ​​saastuttaa fuusiopolttoainetta – reaktorit rakennetaan siten, että ne kanavoivat poispäin suuntautuvat hiukkaset kohti vahvasti panssaroitua kammiota, jota kutsutaan diverttoriksi. Tämä pumppaa pois ohjautuneita hiukkasia ja poistaa ylimääräisen lämmön tokamakin suojaamiseksi.

Seinät ovat tärkeitä

Suurin rajoitus aiemmille reaktoreille on ollut se, että kääntimet eivät kestä jatkuvaa hiukkaspommitusta muutamaa sekuntia pidempään. Jotta fuusiovoima toimisi kaupallisesti, insinöörien on rakennettava tokamak-alus, joka kestää vuosia käytössä fuusiolle välttämättömissä olosuhteissa.

Diverttoriseinä on ensimmäinen näkökohta. Vaikka polttoainehiukkaset ovat paljon viileämpiä, kun ne saavuttavat taittimen, niillä on silti tarpeeksi energiaa lyövät atomit irti divertterin seinämateriaalista törmääessään siihen. Aikaisemmin JET:n diverttorissa oli grafiitista valmistettu seinä, mutta grafiitti imee ja vangitsee liikaa polttoainetta käytännön käyttöön.

Vuoden 2011 tienoilla JET:n insinöörit päivittivät divertterin ja aluksen sisäseinät volframiin. Volframi valittiin osittain, koska sillä on kaikkien metallien korkein sulamispiste – erittäin tärkeä ominaisuus, kun divertteri todennäköisesti kohtaa lämpökuormia lähes 10 kertaa korkeampi kuin avaruussukkulan nokkakartio palaamaan maan ilmakehään. Tokamakin suonen sisäseinä päivitettiin grafiitista berylliumiksi. Berylliumilla on erinomaiset lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet fuusioreaktorille – se imee vähemmän polttoainetta kuin grafiitti, mutta kestää silti korkeita lämpötiloja.

Tuotettu energia JET nousi otsikoihin, mutta väitämme, että uusien seinämateriaalien käyttö tekee kokeesta todella vaikuttavan, koska tulevat laitteet tarvitsevat näitä lujempia seiniä toimiakseen suurella teholla vielä pidempiä aikoja. ajasta. JET on onnistunut konseptin osoitus uuden sukupolven fuusioreaktorien rakentamisesta.

Seuraavat fuusioreaktorit

JET tokamak on suurin ja edistynein tällä hetkellä käytössä oleva magneettinen fuusioreaktori. Mutta varsinkin seuraavan sukupolven reaktorit ovat jo työn alla ITER-kokeilu, jonka on määrä aloittaa toimintansa vuonna 2027. ITER, joka on latinaa ja tarkoittaa "tietä". rakenteilla Ranskassa ja sitä rahoittaa ja ohjaa kansainvälinen järjestö, johon Yhdysvallat kuuluu.

ITER aikoo ottaa käyttöön monia JET:n elinkelpoisiksi osoittamista aineellisista edistysaskeleista. Mutta on myös joitain keskeisiä eroja. Ensinnäkin ITER on massiivinen. Fuusiokammio on 37 jalkaa (11.4 metriä) korkea ja 63 jalkaa (19.4 metriä) ympäri, yli kahdeksan kertaa suurempi kuin JET. Lisäksi ITER hyödyntää suprajohtavia magneetteja, jotka pystyvät tuottamaan vahvempia magneettikenttiä pidempään verrattuna JETin magneetteihin. Näiden päivitysten myötä ITERin odotetaan murskaavan JET:n fuusioennätyksiä sekä energiantuotannon että reaktion keston suhteen.

ITERin odotetaan myös tekevän jotain keskeistä fuusiovoimalaitoksen idealle: tuottavan enemmän energiaa kuin kuluu polttoaineen lämmittämiseen. Mallit ennustavat, että ITER tuottaa noin 500 megawattia tehoa jatkuvasti 400 sekunnin ajan kuluttaen vain 50 MW energiaa polttoaineen lämmittämiseen. Tämä tarkoittaa reaktoria tuotti 10 kertaa enemmän energiaa kuin kulutti-JET:iin verrattuna valtava parannus, mikä edellytti noin kolme kertaa enemmän energiaa polttoaineen lämmittämiseen kuin se tuotti sen äskettäin 59 megajouleennätys.

JET:n äskettäinen ennätys on osoittanut, että vuosien tutkimus plasmafysiikan ja materiaalitieteen alalla on tuottanut tulosta ja tuonut tutkijat fuusion valjastamiseen sähköntuotannossa. ITER tarjoaa valtavan harppauksen kohti teollisen mittakaavan fuusiovoimaloiden tavoitetta.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Euroopan paras Bitcoin- ja kryptopörssi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. VAPAA PÄÄSY.
• CryptoHawk. Altcoinin tutka. Ilmainen kokeilu.
• Lähde: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/