היתוך גרעיני הגיע לאבן דרך הודות לקירות כור טובים יותר

מדענים במעבדה באנגליה ניפצו את השיא של כמות האנרגיה המופקת במהלך תגובת היתוך מבוקרת ומתמשכת. הייצור של 59 מגה ג'אול של אנרגיה במשך חמש שניות בניסוי Joint European Torus (JET) באנגליה נקרא "פריצת דרך" על ידי כמה כלי חדשות ועורר די הרבה התרגשות בקרב הפיזיקאים. אבל קו משותף לגבי ייצור חשמל היתוך זה שזה "תמיד במרחק של 20 שנה".

אנחנו פיזיקאי גרעיני וכן מהנדס גרעין שלומדים כיצד לפתח היתוך גרעיני מבוקר לצורך ייצור חשמל.

תוצאת ה-JET מדגימה התקדמות יוצאת דופן בהבנת הפיזיקה של היתוך. אבל לא פחות חשוב מכך, זה מראה שהחומרים החדשים ששימשו לבניית הקירות הפנימיים של כור ההיתוך עבדו כמתוכנן. העובדה שבניית הקיר החדשה התפקדה כמו שצריך היא מה שמפריד בין התוצאות הללו לאבני דרך קודמות ומעלה את ההיתוך המגנטי מתוך חלום לעבר מציאות.

איחוי חלקיקים יחד

היתוך גרעיני הוא מיזוג של שני גרעיני אטום לגרעין מורכב אחד. לאחר מכן הגרעין הזה מתפרק ומשחרר אנרגיה בצורה של אטומים וחלקיקים חדשים שמתרחקים מהתגובה. תחנת כוח היתוך תלכוד את החלקיקים הבורחים ותשתמש באנרגיה שלהם לייצור חשמל.

יש כמה דרכים שונות לשלוט בבטחה על היתוך על פני כדור הארץ. המחקר שלנו מתמקד בגישה של JET: שימוש שדות מגנטיים רבי עוצמה כדי להגביל אטומים עד שהם מתחממים לטמפרטורה גבוהה מספיק כדי שהם יתמזגו.

הדלק לכורים הנוכחיים והעתידיים הם שני איזוטופים שונים של מימן - כלומר יש להם פרוטון אחד, אבל מספר שונה של נויטרונים - הנקראים דאוטריום וטריטיום. למימן רגיל יש פרוטון אחד ואין נויטרונים בגרעין שלו. לדוטריום יש פרוטון אחד ונייטרון אחד ואילו לטריטיום יש פרוטון אחד ושני נויטרונים.

כדי שתגובת היתוך תצליח, אטומי הדלק חייבים להיות חמים כל כך עד שהאלקטרונים משתחררים מהגרעינים. זה יוצר פלזמה - אוסף של יונים ואלקטרונים חיוביים. לאחר מכן עליך להמשיך לחמם את הפלזמה עד שתגיע לטמפרטורה של מעל 200 מיליון מעלות פרנהייט (100 מיליון צלזיוס). פלזמה זו חייבת להישמר בחלל מצומצם בצפיפות גבוהה למשך פרק זמן ארוך מספיק עבור אטומי דלק להתנגש זה בזה ולהתמזג יחד.

כדי לשלוט בהיתוך על פני כדור הארץ, חוקרים פיתחו מכשירים בצורת סופגניה -שנקרא טוקאמקס -המשתמשים בשדות מגנטיים כדי להכיל את הפלזמה. קווי שדה מגנטי העוטפים את החלק הפנימי של הסופגניה פועלים כמו פסי רכבת שהיונים והאלקטרונים עוקבים אחריהם. על ידי הזרקת אנרגיה לפלסמה וחימום שלה, ניתן להאיץ את חלקיקי הדלק למהירויות גבוהות כל כך שכאשר הם מתנגשים, במקום להקפיץ זה את זה, גרעיני הדלק מתמזגים יחד. כשזה קורה, הם משחררים אנרגיה, בעיקר בצורת נויטרונים הנעים במהירות.

במהלך תהליך ההיתוך, חלקיקי הדלק נסחפים בהדרגה מהליבה החמה והצפופה ובסופו של דבר מתנגשים בדופן הפנימית של כלי ההיתוך. כדי למנוע מהקירות להתקלקל עקב התנגשויות אלו - אשר בתורם גם מזהם את דלק ההיתוך - נבנים כורים כך שהם מתעלים את החלקיקים הסוררים לעבר תא משוריין כבד הנקרא מפנה. זה שואב החוצה את החלקיקים המופנים ומסיר כל עודף חום כדי להגן על הטוקאמק.

הקירות חשובים

מגבלה עיקרית של כורי עבר הייתה העובדה שמסיטים אינם יכולים לשרוד את הפצצת החלקיקים המתמדת במשך יותר מכמה שניות. כדי לגרום לכוח היתוך לעבוד באופן מסחרי, המהנדסים צריכים לבנות כלי טוקאמק שישרוד במשך שנים של שימוש בתנאים הדרושים להיתוך.

קיר המפנה הוא השיקול הראשון. למרות שחלקיקי הדלק הרבה יותר קרירים כשהם מגיעים למפנה, עדיין יש להם מספיק אנרגיה משחררים אטומים מחומר הקיר של המפנה כאשר הם מתנגשים בו. בעבר, למפנה של JET היה קיר עשוי גרפיט, אבל גרפיט סופג ולוכד יותר מדי מהדלק לשימוש מעשי.

בסביבות 2011, מהנדסים ב-JET שדרגו את קירות המפנה וקירות הכלים הפנימיים לטונגסטן. טונגסטן נבחר בין השאר מכיוון שיש לו את נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר מכל מתכת - תכונה חשובה ביותר כאשר המוטב צפוי לחוות עומסי חום כמעט גבוה פי 10 מקונוס האף של מעבורת חלל נכנסים מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ. דופן הכלי הפנימי של הטוקמק שודרג מגרפיט לבריליום. לבריליום תכונות תרמיות ומכניות מצוינות עבור כור היתוך - זה סופג פחות דלק מאשר גרפיט אבל עדיין יכול לעמוד בטמפרטורות הגבוהות.

האנרגיה שה-JET שיצר הייתה זו שעלתה לכותרות, אבל אנחנו טוענים שזה למעשה השימוש בחומרי הקיר החדשים שהופכים את הניסוי למרשים באמת מכיוון שמכשירים עתידיים יצטרכו את הקירות החזקים יותר האלה כדי לפעול בעוצמה גבוהה לתקופות ארוכות אף יותר. של זמן. JET הוא הוכחה מוצלחת לאופן בניית הדור הבא של כורי היתוך.

כורי ההיתוך הבא

ה-JET tokamak הוא כור ההיתוך המגנטי הגדול והמתקדם ביותר הפועל כיום. אבל הדור הבא של הכורים כבר נמצא בעבודה, בעיקר ניסוי ITER, אמור להתחיל את פעילותו בשנת 2027. ITER, שזה לטינית "הדרך", הוא בבנייה בצרפת וממומן ומנוהל על ידי ארגון בינלאומי הכולל את ארה"ב.

ITER עומד להשתמש רבות מההתקדמות החומרית ש-JET הראתה ככדאית. אבל יש גם כמה הבדלים מרכזיים. ראשית, ITER הוא מסיבי. תא ההיתוך הוא גובה 37 רגל (11.4 מטר) ו-63 רגל (19.4 מטר) מסביב, יותר משמונה גדול יותר מ-JET. בנוסף, ITER ישתמש במגנטים מוליכים-על המסוגלים לייצר שדות מגנטיים חזקים יותר לפרקי זמן ארוכים יותר בהשוואה למגנטים של JET. עם השדרוגים הללו, ITER צפוי לנפץ את שיאי ההיתוך של JET, הן מבחינת תפוקת האנרגיה והן לגבי משך התגובה.

ITER גם צפוי לעשות משהו מרכזי ברעיון של תחנת כוח היתוך: לייצר יותר אנרגיה ממה שנדרש כדי לחמם את הדלק. מודלים צופים כי ITER יפיק כ-500 מגה וואט של כוח ברציפות למשך 400 שניות תוך צורך רק ב-50 מגה וואט של אנרגיה כדי לחמם את הדלק. זה אומר הכור הפיק פי 10 יותר אנרגיה ממה שצרך- שיפור עצום ביחס ל-JET, שנדרש בערך פי שלושה יותר אנרגיה לחימום הדלק ממה שהפיק על האחרון שלה שיא של 59 מגה ג'ול.

התיעוד האחרון של JET הראה ששנים של מחקר בפיזיקה של פלזמה ובמדעי החומרים השתלמו והביאו מדענים לפתחו של רתימת היתוך לייצור חשמל. ITER יספק קפיצת מדרגה עצומה לקראת המטרה של תחנות כוח היתוך בקנה מידה תעשייתי.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: Rswilcox/ויקישיתוף

• Coinsmart. בורסת הביטקוין והקריפטו הטובה באירופה.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה חופשית.
• CryptoHawk. רדאר אלטקוין. ניסיון חינם.
• מקור: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/