より良い原子炉壁のおかげで核融合はマイルストーンを打つ

イギリスの研究所の科学者たちは、制御された持続的な核融合反応の間に生成されたエネルギー量の記録を打ち破りました。 の生産 59秒間でXNUMXメガジュールのエネルギー イギリスでの欧州トーラス共同研究施設（JET）の実験では 一部の報道機関から「突破口」と呼ばれる 物理学者の間でかなりの興奮を引き起こしました。 しかし、に関する共通の線 核融合発電 それは「常に20年先に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

私たちです 核物理学者 フォルダーとその下に 原子力技術者 発電を目的とした制御された核融合の開発方法を研究している人たち。

JETの結果は、核融合の物理学の理解における目覚ましい進歩を示しています。 しかし、同様に重要なことは、核融合炉の内壁を構築するために使用された新しい材料が意図したとおりに機能したことを示しています。 新しい壁の建設がそれと同じように機能したという事実は、これらの結果を以前のマイルストーンから分離し、磁気核融合を高めるものです 夢から 現実に向かって。

粒子を融合する

核融合とは、XNUMXつの原子核をXNUMXつの複合核に融合させることです。 次に、この原子核は分解し、反応から離れる速度を上げる新しい原子や粒子の形でエネルギーを放出します。 核融合発電所は、逃げる粒子を捕らえ、そのエネルギーを使って発電します。

いくつかあります。 地球上の融合を安全に制御するさまざまな方法。 私たちの研究は、JETが採用したアプローチに焦点を当てています。 原子を閉じ込める強力な磁場 それらが融合するのに十分な高温に加熱されるまで。

現在および将来の原子炉の燃料は、水素のXNUMXつの異なる同位体です。つまり、陽子はXNUMXつですが、中性子の数は異なります。 重水素とトリチウム。 通常の水素には陽子がXNUMXつあり、原子核には中性子がありません。 重水素にはXNUMXつの陽子とXNUMXつの中性子があり、トリチウムにはXNUMXつの陽子とXNUMXつの中性子があります。

核融合反応を成功させるには、最初に燃料原子が非常に熱くなり、電子が原子核から離れる必要があります。 これにより、プラズマ（陽イオンと電子の集まり）が作成されます。 次に、そのプラズマを華氏200億度（摂氏100億度）を超える温度に達するまで加熱し続ける必要があります。 このプラズマは、限られた空間に高密度で十分長い時間保持する必要があります。 燃料原子が互いに衝突し、融合する.

地球上の融合を制御するために、研究者たちはドーナツ型のデバイスを開発しました—トカマクと呼ばれる —磁場を使用してプラズマを封じ込めます。 ドーナツの内側を包む磁力線は次のように機能します イオンと電子がたどる線路。 プラズマにエネルギーを注入して加熱することにより、燃料粒子を高速に加速して、衝突したときに、互いに跳ね返る代わりに、燃料核が融合するようにすることができます。 これが起こると、彼らはエネルギーを放出し、 主に高速で移動する中性子の形で.

核融合の過程で、燃料粒子は高温の高密度コアから徐々に離れ、最終的に核融合容器の内壁に衝突します。 これらの衝突による壁の劣化（さらには核融合燃料も汚染する）を防ぐために、原子炉は、わがままな粒子をダイバータと呼ばれる重装甲のチャンバーに向けるように構築されています。 これにより、迂回した粒子が排出され、余分な熱が除去されてトカマクが保護されます。

壁は重要です

過去の原子炉の主な制限は、ダイバータが数秒以上一定のパーティクルガンに耐えることができないという事実でした。 核融合発電を商業的に機能させるには、エンジニアは核融合に必要な条件下で何年も使用できるトカマク型船を作る必要があります。

ダイバータ壁が最初の考慮事項です。 燃料粒子はダイバータに到達するとはるかに低温になりますが、それでも十分なエネルギーがあります。 原子がダイバータと衝突したときに、ダイバータの壁の材料から原子をノックアウトします。。 以前、JETのダイバータはグラファイト製の壁を持っていましたが、 グラファイトは、実際に使用するには燃料を吸収してトラップしすぎます.

2011年頃、JETのエンジニアはダイバータと船内壁をタングステンにアップグレードしました。 タングステンが選択された理由のXNUMXつは、金属の中で最も融点が高いことです。これは、ダイバータが熱負荷をほぼ受ける可能性がある場合に非常に重要な特性です。 スペースシャトルのノーズコーンの10倍 地球の大気圏に再び入る。 トカマクの血管内壁は、グラファイトからベリリウムにアップグレードされました。 ベリリウムは核融合炉として優れた熱的および機械的特性を備えています。 グラファイトよりも少ない燃料を吸収しますが、それでも高温に耐えることができます.

JETが生み出したエネルギーが見出しになりましたが、実際には新しい壁の素材を使用しているため、実験は本当に印象的です。将来のデバイスでは、これらのより堅牢な壁がさらに長期間高出力で動作する必要があるためです。時間の。 JETは、次世代の核融合炉を構築する方法の概念実証として成功を収めています。

次の核融合炉

JETトカマクは、現在稼働中の最大かつ最先端の核融合炉です。 しかし、次世代の原子炉はすでに建設中であり、特に注目すべきは ITER実験、2027年に運用を開始する予定です。ラテン語で「道」を意味するITERは フランスで建設中 そして、米国を含む国際機関によって資金提供され、監督されています。

ITERは、JETが実行可能であると示した材料の進歩の多くを使用する予定です。 しかし、いくつかの重要な違いもあります。 まず、ITERは巨大です。 フュージョンチャンバーは 高さ37フィート（11.4メートル）、周囲63フィート（19.4メートル）、 JETのXNUMX倍以上。 さらに、ITERは生産可能な超電導磁石を利用します より長い期間のより強い磁場 JETの磁石と比較して。 これらのアップグレードにより、ITERは、エネルギー出力と反応の実行時間の両方について、JETの核融合記録を打ち破ることが期待されています。

ITERはまた、核融合発電所のアイデアの中心となる何かをすることが期待されています。それは、燃料を加熱するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを生成することです。 モデルは、ITERが燃料を加熱するために500 MWのエネルギーしか消費せずに、400秒間連続して約50メガワットの電力を生成すると予測しています。 これは原子炉を意味します 消費したエネルギーの10倍のエネルギーを生み出しました—必要だったJETに対する大幅な改善 燃料を加熱するためのエネルギーは、生成されたエネルギーの約XNUMX倍です。 その最近のために 59メガジュールの記録.

JETの最近の記録は、プラズマ物理学と材料科学の長年の研究が成果を上げ、科学者を核融合を発電に利用するための玄関口に導いたことを示しています。 ITERは、産業規模の核融合発電所の目標に向けて大きな飛躍を遂げます。

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

画像のクレジット： ルスウィルコックス/ウィキメディア·コモンズ

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• 出典：https：//singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/