A nukleáris fúzió mérföldkőhöz érkezett a jobb reaktorfalaknak köszönhetően

Egy angliai laboratórium tudósai megdöntötték a szabályozott, tartós fúziós reakció során keletkező energiamennyiség rekordját. A termelés 59 megajoule energia öt másodperc alatt az angliai Joint European Torus (JET) kísérletben egyes hírügynökségek „áttörésnek” nevezik és elég nagy izgalmat keltett a fizikusok körében. De egy közös álláspont ezzel kapcsolatban fúziós villamosenergia-termelés ez az "mindig 20 évre van. "

Mi vagyunk a nukleáris fizikus és egy atommérnök akik azt tanulmányozzák, hogyan lehet szabályozott magfúziót kifejleszteni villamosenergia-termelés céljából.

A JET-eredmény figyelemreméltó előrehaladást mutat a fúzió fizikájának megértésében. De ugyanilyen fontos, hogy azt mutatja, hogy a fúziós reaktor belső falainak felépítéséhez használt új anyagok rendeltetésszerűen működtek. Az a tény, hogy az új falkonstrukció olyan jól teljesített, mint ahogyan teljesítette, az az, ami elválasztja ezeket az eredményeket a korábbi mérföldkövektől, és emeli a mágneses fúziót. egy álomból a valóság felé.

A részecskék összeolvadása

A magfúzió két atommag egyesülése egy összetett magmá. Ez az atommag ezután szétesik, és energiát szabadít fel új atomok és részecskék formájában, amelyek felgyorsulnak a reakcióból. Egy fúziós erőmű felfogná a kiszabaduló részecskéket, és energiájukat villamosenergia-termelésre használná fel.

Van néhány a fúzió biztonságos szabályozásának különböző módjai a Földön. Kutatásunk a JET megközelítésére összpontosít: a felhasználásra erős mágneses mezők, amelyek korlátozzák az atomokat amíg elég magas hőmérsékletre nem melegednek ahhoz, hogy összeolvadjanak.

A jelenlegi és a jövőbeli reaktorok tüzelőanyaga a hidrogén két különböző izotópja – ami azt jelenti, hogy egy protonjuk van, de különböző számú neutronjuk van – ún. deutérium és trícium. A normál hidrogénnek egy protonja van, és nincs neutron a magjában. A deutériumnak egy protonja és egy neutronja, míg a tríciumnak egy protonja és két neutronja van.

Ahhoz, hogy a fúziós reakció sikeres legyen, az üzemanyag atomoknak először annyira fel kell melegedniük, hogy az elektronok kiszabaduljanak az atommagokból. Ez plazmát hoz létre – pozitív ionok és elektronok gyűjteményét. Ezután addig kell melegítenie a plazmát, amíg el nem éri a 200 millió Fahrenheit-fok (100 millió Celsius) feletti hőmérsékletet. Ezt a plazmát zárt térben kell tartani nagy sűrűség mellett elég hosszú ideig ahhoz, hogy a tüzelőanyag atomok egymásba ütköznek és összeolvadnak.

A földi fúzió szabályozására a kutatók fánk alakú eszközöket fejlesztettek ki.tokamakoknak hívják — amelyek mágneses mezőket használnak a plazma tárolására. A fánk belsejét körülvevő mágneses erővonalak úgy viselkednek, mint vonatnyomokat, amelyeket az ionok és elektronok követnek. A plazmába energiát fecskendezve és felmelegítve olyan nagy sebességre lehet gyorsítani az üzemanyag-részecskéket, hogy ütközésükkor ahelyett, hogy egymásról visszapattannának, az üzemanyagmagok összeolvadnak. Amikor ez megtörténik, energiát szabadítanak fel, elsősorban gyorsan mozgó neutronok formájában.

A fúziós folyamat során az üzemanyag-részecskék fokozatosan eltávolodnak a forró, sűrű magtól, és végül összeütköznek a fúziós edény belső falával. Annak érdekében, hogy megakadályozzák a falak leépülését ezen ütközések miatt – ami viszont a fúziós tüzelőanyagot is szennyezi – a reaktorokat úgy építik fel, hogy a félrevezető részecskéket egy erősen páncélozott kamra felé tereljék, amelyet divertornak neveznek. Ez kiszivattyúzza az eltérített részecskéket, és eltávolítja a felesleges hőt, hogy megvédje a tokamakot.

A falak fontosak

A korábbi reaktorok fő korlátja az volt, hogy az eltérítők nem élik túl néhány másodpercnél tovább az állandó részecskebombázást. Ahhoz, hogy a fúziós energia kereskedelmileg működjön, a mérnököknek olyan tokamak hajót kell építeniük, amely évekig fennmarad a fúzióhoz szükséges feltételek mellett.

A terelőfal az első szempont. Bár az üzemanyag-részecskék sokkal hidegebbek, amikor elérik a terelőt, még mindig van elegendő energiájuk atomok szabadulnak ki a terelő falának anyagából, amikor ütköznek vele. Korábban a JET terelőjének fala grafitból volt, de a grafit túl sok üzemanyagot nyel el és zár be a gyakorlati használathoz.

2011 körül a JET mérnökei volfrámra korszerűsítették a terelőt és az edény belső falait. A volfrámot részben azért választották, mert ennek van a legmagasabb olvadáspontja a fémek közül – ez egy rendkívül fontos tulajdonság, amikor az eltérítő valószínűleg majdnem hőterhelést tapasztal. 10-szer magasabb, mint egy űrsikló orrkúpja újra belépni a Föld légkörébe. A tokamak belső érfalát grafitról berilliumra korszerűsítették. A berillium kiváló termikus és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik egy fúziós reaktorhoz – ez kevesebb üzemanyagot nyel el, mint a grafit, de még mindig ellenáll a magas hőmérsékletnek.

A JET által termelt energia volt az, ami a címlapokra került, de azt állítjuk, hogy valójában az új falanyagok használata teszi igazán lenyűgözővé a kísérletet, mert a jövőbeni eszközöknek ezekre a robusztusabb falakra lesz szükségük, hogy még hosszabb ideig nagy teljesítményen működjenek. idő. A JET a fúziós reaktorok következő generációjának megépítésére vonatkozó koncepció sikeres bizonyítéka.

A következő fúziós reaktorok

A JET tokamak a jelenleg működő legnagyobb és legfejlettebb mágneses fúziós reaktor. De a reaktorok következő generációja már készül, mindenekelőtt az ITER kísérlet, 2027-ben kezdi meg működését. Az ITER, ami latinul „az utat” jelenti építés alatt Franciaországban és egy, az Egyesült Államokat is magában foglaló nemzetközi szervezet finanszírozza és irányítja.

Az ITER hasznosítani fogja a JET által életképesnek bizonyult anyagi fejlesztéseket. De van néhány lényeges különbség is. Először is, az ITER hatalmas. A fúziós kamra az 37 láb (11.4 méter) magas és 63 láb (19.4 méter) körül, több mint nyolcszor nagyobb, mint a JET. Ezenkívül az ITER szupravezető mágneseket is alkalmaz majd, amelyek képesek előállítani erősebb mágneses mező hosszabb ideig a JET mágneseihez képest. Ezekkel a fejlesztésekkel az ITER várhatóan megdönti a JET fúziós rekordjait, mind az energiatermelés, mind a reakció időtartama tekintetében.

Az ITER várhatóan valami központi szerepet fog játszani a fúziós erőmű ötletében: több energiát termel, mint amennyi az üzemanyag felmelegítéséhez szükséges. A modellek azt jósolják, hogy az ITER körülbelül 500 megawatt teljesítményt fog termelni folyamatosan 400 másodpercig, miközben csak 50 MW energiát fogyaszt az üzemanyag melegítésére. Ez a reaktort jelenti 10-szer több energiát termelt, mint amennyit elfogyasztott– hatalmas előrelépés a JET-hez képest, amihez szükség volt nagyjából háromszor több energiát kell felmelegíteni, mint amennyit termelt a legutóbbi 59 megajoule rekord.

A JET legutóbbi feljegyzései azt mutatják, hogy a plazmafizikai és anyagtudományi évek kutatásai meghozták gyümölcsüket, és a fúziós energiatermelésre való hasznosításának küszöbéhez juttatták a tudósokat. Az ITER óriási előrelépést jelent majd az ipari méretű fúziós erőművek céljának elérése felé.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

Kép: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Európa legjobb Bitcoin- és kriptográfiai tőzsdéje.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. SZABAD HOZZÁFÉRÉS.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Ingyenes próbaverzió.
• Forrás: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/