Fuzja jądrowa osiągnęła kamień milowy dzięki lepszym ścianom reaktorów

Naukowcy z laboratorium w Anglii pobili rekord ilości energii wytwarzanej podczas kontrolowanej, długotrwałej reakcji termojądrowej. Produkcja 59 megadżuli energii w ciągu pięciu sekund w eksperymencie Joint European Torus (JET) w Anglii przez niektóre serwisy informacyjne nazwane „przełomem”. i wywołał spore poruszenie wśród fizyków. Ale wspólne stanowisko dotyczące produkcja energii elektrycznej termojądrowej jest to, że jest to „zawsze za 20 lat".

Jesteśmy fizyk jądrowy oraz inżynier jądrowy którzy badają, jak opracować kontrolowaną syntezę jądrową w celu wytwarzania energii elektrycznej.

Wynik JET ukazuje niezwykły postęp w zrozumieniu fizyki syntezy jądrowej. Ale co równie ważne, pokazuje, że nowe materiały użyte do budowy wewnętrznych ścian reaktora termojądrowego sprawdziły się zgodnie z oczekiwaniami. Fakt, że nowa konstrukcja ściany spisał się tak dobrze, odróżnia te wyniki od poprzednich kamieni milowych i podnosi poziom syntezy magnetycznej ze snu ku rzeczywistości.

Łączenie cząstek razem

Fuzja jądrowa to połączenie dwóch jąder atomowych w jedno jądro złożone. Jądro to następnie rozpada się i uwalnia energię w postaci nowych atomów i cząstek, które przyspieszają reakcję. Elektrownia termojądrowa wychwytywałaby uciekające cząstki i wykorzystywała ich energię do wytwarzania energii elektrycznej.

Jest parę różne sposoby bezpiecznego kontrolowania syntezy jądrowej na Ziemi. Nasze badania skupiają się na podejściu przyjętym przez JET: używaniu potężne pola magnetyczne ograniczające atomy dopóki nie zostaną podgrzane do wystarczająco wysokiej temperatury, aby się stopiły.

Paliwem dla obecnych i przyszłych reaktorów są dwa różne izotopy wodoru – co oznacza, że ​​mają one jeden proton, ale różną liczbę neutronów – zwane deuter i tryt. Normalny wodór ma w swoim jądrze jeden proton i nie ma neutronów. Deuter ma jeden proton i jeden neutron, podczas gdy tryt ma jeden proton i dwa neutrony.

Aby reakcja syntezy jądrowej przebiegła pomyślnie, atomy paliwa muszą najpierw nagrzać się do tego stopnia, aby elektrony uwolniły się z jąder. W ten sposób powstaje plazma – zbiór jonów dodatnich i elektronów. Następnie należy podgrzewać plazmę, aż osiągnie temperaturę ponad 200 milionów stopni Fahrenheita (100 milionów stopni Celsjusza). Plazma ta musi być przechowywana w zamkniętej przestrzeni przy dużej gęstości przez wystarczająco długi okres czasu atomy paliwa zderzają się ze sobą i łączą.

Aby kontrolować syntezę termojądrową na Ziemi, naukowcy opracowali urządzenia w kształcie pączka —zwane tokamakami — które wykorzystują pola magnetyczne do zatrzymania plazmy. Linie pola magnetycznego owijające się wokół wnętrza pączka działają jak tory kolejowe, którymi podążają jony i elektrony. Wstrzykując energię do plazmy i podgrzewając ją, możliwe jest rozpędzanie cząstek paliwa do tak dużych prędkości, że w momencie zderzenia, zamiast się od siebie odbijać, jądra paliwa łączą się ze sobą. Kiedy to nastąpi, uwalniają energię, głównie w postaci szybko poruszających się neutronów.

Podczas procesu syntezy cząsteczki paliwa stopniowo oddalają się od gorącego, gęstego rdzenia i ostatecznie zderzają się z wewnętrzną ścianą naczynia termojądrowego. Aby zapobiec degradacji ścian w wyniku tych zderzeń – co z kolei powoduje również zanieczyszczenie paliwa termojądrowego – reaktory są budowane w taki sposób, że kierują krnąbrne cząstki w stronę silnie opancerzonej komory zwanej dywertorem. To wypompowuje przekierowane cząsteczki i usuwa nadmiar ciepła, aby chronić tokamak.

Ściany są ważne

Głównym ograniczeniem poprzednich reaktorów był fakt, że odbiorniki nie były w stanie przetrwać ciągłego bombardowania cząsteczkami dłużej niż kilka sekund. Aby energia termojądrowa znalazła zastosowanie komercyjne, inżynierowie muszą zbudować statek tokamak, który przetrwa lata użytkowania w warunkach niezbędnych do syntezy jądrowej.

Pierwszą kwestią, którą należy wziąć pod uwagę, jest ściana odwracacza. Chociaż cząstki paliwa są znacznie chłodniejsze, gdy docierają do zwrotnicy, nadal mają wystarczająco dużo energii, aby to zrobić wybijają atomy z materiału ścianki dywertora, gdy zderzają się z nim. Wcześniej dywersor JET miał ściankę wykonaną z grafitu, ale grafit pochłania i zatrzymuje zbyt dużo paliwa, aby można było go zastosować w praktyce.

Około 2011 roku inżynierowie z JET zmodernizowali zwrotnicę i wewnętrzne ściany zbiornika do wolframu. Wolfram został wybrany częściowo dlatego, że ma najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich metali – jest to niezwykle ważna cecha, gdy zwrotnik najprawdopodobniej będzie narażony na obciążenia cieplne prawie 10 razy wyższy niż stożek dziobowy promu kosmicznego ponownego wejścia w atmosferę ziemską. Wewnętrzna ściana naczynia tokamaka została ulepszona z grafitu na beryl. Beryl ma doskonałe właściwości termiczne i mechaniczne jak na reaktor termojądrowy – to pochłania mniej paliwa niż grafit, ale nadal wytrzymuje wysokie temperatury.

Energia wytworzona przez JET trafiła na pierwsze strony gazet, ale twierdzilibyśmy, że to w rzeczywistości zastosowanie nowych materiałów ściennych sprawia, że ​​eksperyment jest naprawdę imponujący, ponieważ przyszłe urządzenia będą potrzebowały solidniejszych ścian, aby działać z dużą mocą nawet przez dłuższy czas czasu. JET to udany dowód koncepcji budowy reaktorów termojądrowych nowej generacji.

Następne reaktory termojądrowe

Tokamak JET jest największym i najbardziej zaawansowanym obecnie działającym reaktorem termojądrowym. Jednak w szczególności prace nad następną generacją reaktorów już trwają eksperyment ITER, ma rozpocząć działalność w 2027 r. ITER, co po łacinie oznacza „drogę”, to: w budowie we Francji oraz finansowane i kierowane przez organizację międzynarodową, do której należą Stany Zjednoczone.

ITER zamierza wykorzystać wiele postępów materialnych, które projekt JET okazał się wykonalny. Ale są też pewne kluczowe różnice. Po pierwsze, ITER jest ogromny. Komora termojądrowa jest 37 stóp (11.4 m) wysokości i 63 stóp (19.4 m) wokół, ponad osiem razy większy niż JET. Ponadto w ITER zostaną wykorzystane magnesy nadprzewodzące zdolne do wytwarzania silniejsze pola magnetyczne przez dłuższy czas w porównaniu do magnesów JET. Oczekuje się, że dzięki tym ulepszeniom ITER pobije rekordy syntezy jądrowej JET, zarówno pod względem wydajności energetycznej, jak i czasu trwania reakcji.

Oczekuje się również, że ITER zrobi coś kluczowego dla idei elektrowni termojądrowej: wyprodukuje więcej energii, niż potrzeba do podgrzania paliwa. Modele przewidują, że ITER będzie wytwarzał około 500 megawatów mocy w sposób ciągły przez 400 sekund, zużywając jedynie 50 MW energii do podgrzania paliwa. Oznacza to reaktor wyprodukował 10 razy więcej energii niż zużył—ogromna poprawa w stosunku do JET, która była wymagana około trzy razy więcej energii do podgrzania paliwa, niż zostało wyprodukowane za niedawne Rekord 59 megadżuli.

Niedawne wyniki projektu JET pokazały, że lata badań w dziedzinie fizyki plazmy i materiałoznawstwa opłaciły się i doprowadziły naukowców do progu wykorzystania syntezy termojądrowej do wytwarzania energii. ITER zapewni ogromny krok naprzód w kierunku celu, jakim są elektrownie termojądrowe na skalę przemysłową.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Najlepsza w Europie giełda bitcoinów i kryptowalut.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. DARMOWY DOSTĘP.
• CryptoJastrząb. Radar Altcoin. Bezpłatna wersja próbna.
• Źródło: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuklear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/