Kernfusie heeft een mijlpaal bereikt dankzij betere reactormuren PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Kernfusie heeft een mijlpaal bereikt dankzij betere reactormuren

Tijdstempel: 10 april 2022 10:00 uur
kernfusie tokamak reactorenergie

Wetenschappers van een laboratorium in Engeland hebben het record verbroken voor de hoeveelheid energie die wordt geproduceerd tijdens een gecontroleerde, aanhoudende fusiereactie. De productie van 59 megajoule energie gedurende vijf seconden bij het Joint European Torus (JET) experiment in Engeland is geweest door sommige nieuwsmedia “een doorbraak” genoemd en veroorzaakte heel wat opwinding onder natuurkundigen. Maar een gemeenschappelijke lijn met betrekking tot fusie-elektriciteitsproductie is dat het “altijd twintig jaar verder. '

Wij zijn kernfysicus en nucleair ingenieur die bestuderen hoe gecontroleerde kernfusie kan worden ontwikkeld met als doel elektriciteit op te wekken.

Het JET-resultaat laat opmerkelijke vooruitgang zien in het begrip van de fysica van kernfusie. Maar net zo belangrijk is dat het laat zien dat de nieuwe materialen die zijn gebruikt om de binnenwanden van de fusiereactor te bouwen, werkten zoals bedoeld. Het feit dat de nieuwe muurconstructie zo goed presteerde, is wat deze resultaten onderscheidt van eerdere mijlpalen en magnetische fusie naar een hoger niveau tilt uit een droom naar een werkelijkheid.

Een diagram dat twee deeltjes laat zien die samensmelten en de resulterende producten.
Fusiereactoren slaan twee vormen van waterstof tegen elkaar (boven) zodat ze samensmelten, waarbij helium en een hoogenergetisch elektron (onder) worden geproduceerd. Wykis/WikimediaCommons

Deeltjes samensmelten

Kernfusie is het samensmelten van twee atoomkernen tot één samengestelde kern. Deze kern valt vervolgens uit elkaar en geeft energie vrij in de vorm van nieuwe atomen en deeltjes die wegsnellen van de reactie. Een fusiecentrale zou de ontsnappende deeltjes opvangen en hun energie gebruiken om elektriciteit op te wekken.

Er zijn een paar verschillende manieren om fusie op aarde veilig te beheersen. Ons onderzoek richt zich op de aanpak van JET: benutten krachtige magnetische velden om atomen op te sluiten totdat ze zijn verwarmd tot een temperatuur die hoog genoeg is om te kunnen smelten.

De brandstof voor de huidige en toekomstige reactoren zijn twee verschillende isotopen van waterstof – wat betekent dat ze één proton hebben, maar verschillende aantallen neutronen – genaamd deuterium en tritium. Normale waterstof heeft één proton en geen neutronen in de kern. Deuterium heeft één proton en één neutron, terwijl tritium één proton en twee neutronen heeft.

Om een ​​fusiereactie succesvol te laten zijn, moeten de brandstofatomen eerst zo heet worden dat de elektronen zich losmaken van de kernen. Hierdoor ontstaat plasma: een verzameling positieve ionen en elektronen. Vervolgens moet je dat plasma blijven verwarmen totdat het een temperatuur van meer dan 200 miljoen graden Celsius bereikt. Dit plasma moet lang genoeg in een afgesloten ruimte met een hoge dichtheid worden bewaard brandstofatomen met elkaar botsen en samensmelten.

Om fusie op aarde onder controle te houden, ontwikkelden onderzoekers donutvormige apparaten –tokamaks genoemd —die magnetische velden gebruiken om het plasma vast te houden. Magnetische veldlijnen die zich rond de binnenkant van de donut wikkelen, werken als een soort magnetische veldlijnen treinsporen die de ionen en elektronen volgen. Door energie in het plasma te injecteren en het op te warmen, is het mogelijk de brandstofdeeltjes tot zulke hoge snelheden te versnellen dat wanneer ze botsen, de brandstofkernen samensmelten in plaats van tegen elkaar aan te botsen. Wanneer dit gebeurt, laten ze energie vrij, voornamelijk in de vorm van snel bewegende neutronen.

Tijdens het fusieproces drijven brandstofdeeltjes geleidelijk weg van de hete, dichte kern en botsen uiteindelijk tegen de binnenwand van het fusievat. Om te voorkomen dat de wanden kapot gaan als gevolg van deze botsingen – die op hun beurt ook de fusiebrandstof verontreinigen – worden reactoren zo gebouwd dat ze de eigenzinnige deeltjes naar een zwaar gepantserde kamer leiden die de divertor wordt genoemd. Hierdoor worden de omgeleide deeltjes weggepompt en wordt eventuele overtollige warmte verwijderd om de tokamak te beschermen.

Een grote, ingewikkelde machine van pijpen en elektronica.
Het magnetische fusie-experiment van JET is de grootste tokamak ter wereld. EFDA JET/WikimediaCommons, CC BY-SA

De muren zijn belangrijk

Een belangrijke beperking van eerdere reactoren was het feit dat divertors het constante deeltjesbombardement niet langer dan een paar seconden konden overleven. Om fusie-energie commercieel te laten werken, moeten ingenieurs een tokamak-schip bouwen dat jarenlang kan worden gebruikt onder de omstandigheden die nodig zijn voor fusie.

De divertorwand is de eerste overweging. Hoewel de brandstofdeeltjes veel koeler zijn wanneer ze de divertor bereiken, hebben ze nog steeds voldoende energie slaan atomen los uit het wandmateriaal van de divertor wanneer ze ermee botsen. Voorheen had de divertor van JET een wand van grafiet, maar grafiet absorbeert en vangt te veel brandstof op voor praktisch gebruik.

Rond 2011 hebben ingenieurs bij JET de divertor en de binnenwanden van het vat geüpgraded naar wolfraam. Wolfraam werd gedeeltelijk gekozen omdat het het hoogste smeltpunt van alle metalen heeft – een uiterst belangrijke eigenschap wanneer de divertor waarschijnlijk te maken krijgt met hittebelastingen die bijna 10 keer hoger dan de neuskegel van een space shuttle opnieuw de atmosfeer van de aarde binnendringen. De binnenwand van de tokamak werd opgewaardeerd van grafiet naar beryllium. Beryllium heeft uitstekende thermische en mechanische eigenschappen voor een fusiereactor absorbeert minder brandstof dan grafiet, maar is nog steeds bestand tegen de hoge temperaturen.

De energie die JET produceerde was wat de krantenkoppen haalde, maar we beweren dat het in feite het gebruik van de nieuwe muurmaterialen is die het experiment echt indrukwekkend maakt, omdat toekomstige apparaten deze robuustere muren nodig zullen hebben om voor nog langere perioden op hoog vermogen te kunnen werken. van tijd. JET is een succesvol proof of concept voor het bouwen van de volgende generatie fusiereactoren.

Een tekening van een reactor met veel kamers eromheen.
De ITER-fusiereactor, hier schematisch weergegeven, zal de lessen van JET integreren, maar op een veel grotere en krachtigere schaal. Oak Ridge National Laboratory, ITER Tokamak en Plant Systems/WikimediaCommons, CC BY

De volgende fusiereactoren

De JET-tokamak is de grootste en meest geavanceerde magnetische fusiereactor die momenteel in bedrijf is. Maar de volgende generatie reactoren is al in de maak het ITER-experiment, zal in 2027 operationeel worden. ITER, wat Latijn is voor ‘de weg’, is dat wel in aanbouw in Frankrijk en gefinancierd en geleid door een internationale organisatie waartoe ook de VS behoren.

ITER gaat veel van de materiële vooruitgang benutten waarvan JET heeft aangetoond dat deze levensvatbaar is. Maar er zijn ook enkele belangrijke verschillen. Ten eerste is ITER enorm. De fusiekamer is 37 voet (11.4 meter) lang en 63 voet (19.4 meter) rond, ruim acht maal groter dan JET. Bovendien zal ITER supergeleidende magneten gebruiken die in staat zijn om te produceren sterkere magnetische velden gedurende langere tijd vergeleken met de magneten van JET. Met deze upgrades zal ITER naar verwachting de fusierecords van JET verbreken, zowel wat betreft energieopbrengst als hoe lang de reactie zal duren.

Er wordt ook verwacht dat ITER iets zal doen dat centraal staat in het idee van een fusie-energiecentrale: meer energie produceren dan nodig is om de brandstof te verwarmen. Modellen voorspellen dat ITER gedurende 500 seconden continu ongeveer 400 megawatt aan stroom zal produceren, terwijl het slechts 50 MW aan energie zal verbruiken om de brandstof te verwarmen. Dit betekent de reactor produceerde 10 keer meer energie dan het verbruikte– een enorme verbetering ten opzichte van JET, waarvoor dit nodig was ongeveer drie keer meer energie om de brandstof te verwarmen dan er geproduceerd wordt vanwege zijn recente 59 megajoulerecord.

Uit het recente onderzoek van JET is gebleken dat jarenlang onderzoek op het gebied van plasmafysica en materiaalkunde zijn vruchten heeft afgeworpen en wetenschappers op het punt heeft gezet om fusie te benutten voor energieopwekking. ITER zal een enorme stap voorwaarts betekenen in de richting van het doel van fusie-energiecentrales op industriële schaal.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Krediet van het beeld: Rswilcox/Wikimedia Commons

Tijdstempel:

Meer van Hub voor singulariteit