Fusi Nuklir Mencapai Tonggak Sejarah Berkat Dinding Reaktor yang Lebih Baik

Para ilmuwan di sebuah laboratorium di Inggris telah memecahkan rekor jumlah energi yang dihasilkan selama reaksi fusi yang terkendali dan berkelanjutan. Produksi dari 59 megajoule energi selama lima detik pada percobaan Joint European Torus (JET) di Inggris telah disebut "terobosan" oleh beberapa outlet berita dan menyebabkan cukup banyak kegembiraan di antara fisikawan. Tapi garis umum tentang produksi listrik fusi apakah itu “selalu 20 tahun lagi. "

Kami adalah fisikawan nuklir dan insinyur nuklir yang mempelajari bagaimana mengembangkan fusi nuklir terkontrol untuk tujuan menghasilkan listrik.

Hasil JET menunjukkan kemajuan luar biasa dalam pemahaman fisika fusi. Tapi sama pentingnya, ini menunjukkan bahwa bahan baru yang digunakan untuk membangun dinding bagian dalam reaktor fusi bekerja sebagaimana mestinya. Fakta bahwa konstruksi dinding baru berjalan dengan baik adalah yang membedakan hasil ini dari tonggak sejarah sebelumnya dan meningkatkan fusi magnetik. dari mimpi menuju sebuah kenyataan.

Menggabungkan Partikel Bersama

Fusi nuklir adalah penggabungan dua inti atom menjadi satu inti senyawa. Nukleus ini kemudian pecah dan melepaskan energi dalam bentuk atom dan partikel baru yang mempercepat reaksi. Sebuah pembangkit listrik fusi akan menangkap partikel melarikan diri dan menggunakan energi mereka untuk menghasilkan listrik.

Ada beberapa berbagai cara untuk mengontrol fusi dengan aman di Bumi. Penelitian kami berfokus pada pendekatan yang diambil oleh JET: menggunakan medan magnet yang kuat untuk membatasi atom sampai mereka dipanaskan sampai suhu yang cukup tinggi untuk melebur.

Bahan bakar untuk reaktor saat ini dan di masa depan adalah dua isotop hidrogen yang berbeda—artinya mereka memiliki satu proton, tetapi jumlah neutron yang berbeda—disebut deuterium dan tritium. Hidrogen normal memiliki satu proton dan tidak ada neutron dalam intinya. Deuterium memiliki satu proton dan satu neutron sedangkan tritium memiliki satu proton dan dua neutron.

Agar reaksi fusi berhasil, atom bahan bakar pertama-tama harus menjadi sangat panas sehingga elektron terlepas dari inti. Ini menciptakan plasma—kumpulan ion dan elektron positif. Anda kemudian perlu terus memanaskan plasma itu hingga mencapai suhu lebih dari 200 juta derajat Fahrenheit (100 juta Celcius). Plasma ini harus disimpan dalam ruang tertutup dengan kepadatan tinggi untuk jangka waktu yang cukup lama untuk atom bahan bakar untuk bertabrakan satu sama lain dan melebur bersama-sama.

Untuk mengontrol fusi di Bumi, para peneliti mengembangkan perangkat berbentuk donat—disebut tokamaks —yang menggunakan medan magnet untuk menampung plasma. Garis medan magnet yang membungkus bagian dalam donat bertindak seperti jalur kereta api yang diikuti oleh ion dan elektron. Dengan menyuntikkan energi ke dalam plasma dan memanaskannya, adalah mungkin untuk mempercepat partikel bahan bakar ke kecepatan tinggi sehingga ketika mereka bertabrakan, bukannya memantul satu sama lain, inti bahan bakar melebur bersama. Ketika ini terjadi, mereka melepaskan energi, terutama dalam bentuk neutron yang bergerak cepat.

Selama proses fusi, partikel bahan bakar secara bertahap menjauh dari inti yang panas dan padat dan akhirnya bertabrakan dengan dinding bagian dalam bejana fusi. Untuk mencegah dinding rusak akibat tumbukan ini—yang pada gilirannya juga mencemari bahan bakar fusi—reaktor dibangun sedemikian rupa sehingga mereka menyalurkan partikel yang tidak patuh menuju ruang lapis baja berat yang disebut divertor. Ini memompa keluar partikel yang dialihkan dan menghilangkan panas berlebih untuk melindungi tokamak.

Tembok itu Penting

Keterbatasan utama reaktor masa lalu adalah kenyataan bahwa divertor tidak dapat bertahan dari pemboman partikel konstan selama lebih dari beberapa detik. Untuk membuat tenaga fusi bekerja secara komersial, para insinyur perlu membangun kapal tokamak yang akan bertahan selama bertahun-tahun digunakan di bawah kondisi yang diperlukan untuk fusi.

Dinding divertor adalah pertimbangan pertama. Meskipun partikel bahan bakar jauh lebih dingin ketika mencapai divertor, mereka masih memiliki energi yang cukup untuk menjatuhkan atom dari bahan dinding divertor ketika mereka bertabrakan dengannya. Sebelumnya, divertor JET memiliki dinding yang terbuat dari grafit, tetapi grafit menyerap dan menjebak terlalu banyak bahan bakar untuk penggunaan praktis.

Sekitar tahun 2011, para insinyur di JET meningkatkan divertor dan dinding kapal bagian dalam menjadi tungsten. Tungsten dipilih sebagian karena memiliki titik leleh tertinggi dari logam apa pun—sifat yang sangat penting ketika divertor cenderung mengalami beban panas hampir 10 kali lebih tinggi dari kerucut hidung pesawat ulang-alik memasuki kembali atmosfer bumi. Dinding bejana bagian dalam tokamak ditingkatkan dari grafit menjadi berilium. Berilium memiliki sifat termal dan mekanik yang sangat baik untuk reaktor fusi—itu menyerap bahan bakar lebih sedikit daripada grafit tetapi masih dapat menahan suhu tinggi.

Energi yang dihasilkan JET adalah yang menjadi berita utama, tetapi kami berpendapat bahwa sebenarnya penggunaan bahan dinding baru yang membuat eksperimen benar-benar mengesankan karena perangkat masa depan akan membutuhkan dinding yang lebih kuat ini untuk beroperasi pada daya tinggi untuk waktu yang lebih lama. waktu. JET adalah bukti konsep yang berhasil tentang bagaimana membangun reaktor fusi generasi berikutnya.

Reaktor Fusi Berikutnya

Tokamak JET adalah reaktor fusi magnetik terbesar dan tercanggih yang saat ini beroperasi. Tetapi reaktor generasi berikutnya sudah dalam pengerjaan, terutama percobaan ITER, akan mulai beroperasi pada tahun 2027. ITER, yang merupakan bahasa Latin untuk "jalan", adalah sedang dibangun di Prancis dan didanai dan diarahkan oleh organisasi internasional yang mencakup AS.

ITER akan menggunakan banyak kemajuan material yang ditunjukkan JET untuk dapat bertahan. Tetapi ada juga beberapa perbedaan utama. Pertama, ITER sangat besar. Ruang fusi adalah Tinggi 37 kaki (11.4 meter) dan keliling 63 kaki (19.4 meter), lebih dari delapan kali lebih besar dari JET. Selain itu, ITER akan memanfaatkan magnet superkonduktor yang mampu menghasilkan medan magnet yang lebih kuat untuk jangka waktu yang lebih lama dibandingkan dengan magnet JET. Dengan peningkatan ini, ITER diharapkan memecahkan rekor fusi JET, baik untuk keluaran energi maupun berapa lama reaksi akan berjalan.

ITER juga diharapkan melakukan sesuatu yang penting bagi gagasan pembangkit listrik fusi: menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dibutuhkan untuk memanaskan bahan bakar. Model memprediksi bahwa ITER akan menghasilkan sekitar 500 megawatt daya terus menerus selama 400 detik sementara hanya mengkonsumsi 50 MW energi untuk memanaskan bahan bakar. Ini berarti reaktor menghasilkan energi 10 kali lebih banyak daripada yang dikonsumsi—peningkatan besar atas JET, yang membutuhkan kira-kira tiga kali lebih banyak energi untuk memanaskan bahan bakar daripada yang dihasilkan untuk yang terbaru Rekor 59 megajoule.

Catatan terbaru JET menunjukkan bahwa penelitian bertahun-tahun dalam fisika plasma dan ilmu material telah membuahkan hasil dan membawa para ilmuwan ke ambang pintu memanfaatkan fusi untuk pembangkit listrik. ITER akan memberikan lompatan besar ke depan menuju tujuan pembangkit listrik fusi skala industri.

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

Gambar Kredit: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Pertukaran Bitcoin dan Crypto Terbaik Eropa.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. AKSES GRATIS.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Uji Coba Gratis.
• Sumber: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/