Kjernefysisk fusjon nådde en milepæl takket være bedre reaktorvegger

Forskere ved et laboratorium i England har knust rekorden for mengden energi som produseres under en kontrollert, vedvarende fusjonsreaksjon. Produksjonen av 59 megajoule energi over fem sekunder ved Joint European Torus (JET)-eksperimentet i England har vært kalt "et gjennombrudd" av noen nyhetskanaler og skapte ganske mye begeistring blant fysikere. Men en felles linje vedr fusjonskraftproduksjon er at det er "alltid 20 år unna».

Vi er en kjernefysiker og en atomingeniør som studerer hvordan man kan utvikle kontrollert kjernefysisk fusjon med det formål å generere elektrisitet.

JET-resultatet viser bemerkelsesverdige fremskritt i forståelsen av fusjonsfysikken. Men like viktig viser det at de nye materialene som ble brukt til å konstruere de indre veggene i fusjonsreaktoren fungerte etter hensikten. Det faktum at den nye veggkonstruksjonen presterte så bra som den gjorde, er det som skiller disse resultatene fra tidligere milepæler og løfter magnetisk fusjon fra en drøm mot en virkelighet.

Fusjonerer partikler sammen

Kjernefusjon er sammenslåing av to atomkjerner til en sammensatt kjerne. Denne kjernen brytes deretter fra hverandre og frigjør energi i form av nye atomer og partikler som suser vekk fra reaksjonen. Et fusjonskraftverk ville fange opp de unnslippende partiklene og bruke energien deres til å generere elektrisitet.

Det er noen forskjellige måter å trygt kontrollere fusjon på jorden. Vår forskning fokuserer på tilnærmingen JET har tatt: bruk kraftige magnetiske felt for å begrense atomer til de er varmet opp til en høy nok temperatur til at de kan smelte sammen.

Drivstoffet for nåværende og fremtidige reaktorer er to forskjellige isotoper av hydrogen - noe som betyr at de har ett proton, men forskjellig antall nøytroner - kalt deuterium og tritium. Normalt hydrogen har ett proton og ingen nøytroner i kjernen. Deuterium har ett proton og ett nøytron mens tritium har ett proton og to nøytroner.

For at en fusjonsreaksjon skal lykkes, må brenselatomene først bli så varme at elektronene bryter seg løs fra kjernene. Dette skaper plasma - en samling av positive ioner og elektroner. Du må deretter fortsette å varme opp plasmaet til det når en temperatur over 200 millioner grader Fahrenheit (100 millioner Celsius). Dette plasmaet må oppbevares i et trangt rom med høy tetthet i en lang nok tidsperiode for brenselatomer til å kollidere inn i hverandre og smelte sammen.

For å kontrollere fusjon på jorden utviklet forskere smultringformede enheter—kalt tokamaks -som bruker magnetiske felt for å inneholde plasma. Magnetiske feltlinjer som vikler seg rundt innsiden av smultringen fungerer som togspor som ionene og elektronene følger. Ved å injisere energi i plasmaet og varme det opp, er det mulig å akselerere brenselpartiklene til så høye hastigheter at når de kolliderer, i stedet for å sprette av hverandre, smelter drivstoffkjernene sammen. Når dette skjer, frigjør de energi, først og fremst i form av raskt bevegelige nøytroner.

Under fusjonsprosessen driver brenselpartikler gradvis vekk fra den varme, tette kjernen og kolliderer til slutt med den indre veggen av fusjonskaret. For å forhindre at veggene brytes ned på grunn av disse kollisjonene – som igjen også forurenser fusjonsdrivstoffet – bygges reaktorer slik at de kanaliserer de egensindige partiklene mot et tungt pansret kammer kalt avlederen. Dette pumper ut de avledede partiklene og fjerner overflødig varme for å beskytte tokamak.

Veggene er viktige

En stor begrensning for tidligere reaktorer har vært det faktum at avledere ikke kan overleve det konstante partikkelbombardementet i mer enn noen få sekunder. For å få fusjonskraft til å fungere kommersielt, må ingeniører bygge et tokamak-fartøy som vil overleve i årevis med bruk under de forholdene som er nødvendige for fusjon.

Avlederveggen er det første hensynet. Selv om drivstoffpartiklene er mye kjøligere når de når avlederen, har de fortsatt nok energi til slå atomer løs fra veggmaterialet til avlederen når de kolliderer med det. Tidligere hadde JETs avleder en vegg laget av grafitt, men grafitt absorberer og fanger for mye av drivstoffet til praktisk bruk.

Rundt 2011 oppgraderte ingeniører ved JET avlederen og de indre karveggene til wolfram. Tungsten ble delvis valgt fordi det har det høyeste smeltepunktet av noe metall - en ekstremt viktig egenskap når avlederen sannsynligvis vil oppleve varmebelastninger nesten 10 ganger høyere enn nesekjeglen til en romferge kommer inn i jordens atmosfære igjen. Den indre karveggen til tokamak ble oppgradert fra grafitt til beryllium. Beryllium har utmerkede termiske og mekaniske egenskaper for en fusjonsreaktor - det absorberer mindre drivstoff enn grafitt, men tåler fortsatt de høye temperaturene.

Energien JET produserte var det som skapte overskriftene, men vi vil hevde at det faktisk er bruken av de nye veggmaterialene som gjør eksperimentet virkelig imponerende fordi fremtidige enheter vil trenge disse mer robuste veggene for å operere med høy effekt i enda lengre perioder av tid. JET er et vellykket proof of concept for hvordan bygge neste generasjon fusjonsreaktorer.

De neste fusjonsreaktorene

JET-tokamak er den største og mest avanserte magnetiske fusjonsreaktoren i drift. Men neste generasjon reaktorer er allerede i arbeid, spesielt ITER-eksperimentet, satt til å starte driften i 2027. ITER, som er latin for "veien", er under bygging i Frankrike og finansiert og ledet av en internasjonal organisasjon som inkluderer USA.

ITER kommer til å ta i bruk mange av de materielle fremskritt JET viste å være levedyktige. Men det er også noen viktige forskjeller. For det første er ITER massiv. Fusjonskammeret er 37 fot (11.4 meter) høy og 63 fot (19.4 meter) rundt, mer enn åtte ganger større enn JET. I tillegg vil ITER benytte superledende magneter som er i stand til å produsere sterkere magnetfelt i lengre perioder sammenlignet med JETs magneter. Med disse oppgraderingene forventes ITER å knuse JETs fusjonsrekorder, både for energiproduksjon og hvor lenge reaksjonen vil pågå.

ITER forventes også å gjøre noe sentralt for ideen om et fusjonskraftverk: produsere mer energi enn det tar å varme opp drivstoffet. Modeller spår at ITER vil produsere rundt 500 megawatt strøm kontinuerlig i 400 sekunder mens den bare bruker 50 MW energi for å varme opp drivstoffet. Dette betyr reaktoren produserte 10 ganger mer energi enn den forbrukte—en enorm forbedring i forhold til JET, som krevde omtrent tre ganger mer energi til å varme opp drivstoffet enn det produserte for sin siste Rekord på 59 megajoule.

JETs nylige rekord har vist at år med forskning innen plasmafysikk og materialvitenskap har lønnet seg og brakt forskere til dørstokken for å utnytte fusjon for kraftproduksjon. ITER vil gi et enormt sprang fremover mot målet om fusjonskraftverk i industriell skala.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bilde Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/