Ядерный синтез достиг важной вехи благодаря лучшим стенкам реактора

Ученые из лаборатории в Англии побили рекорд по количеству энергии, вырабатываемой во время управляемой, устойчивой реакции синтеза. Производство 59 мегаджоулей энергии за пять секунд в эксперименте Joint European Torus (JET) в Англии. некоторые новостные агентства назвали «прорывом» и вызвало довольно большой ажиотаж среди физиков. Но общая линия относительно производство термоядерной электроэнергии в том, что это "всегда 20 лет".

Мы являемся физик-ядерщик и еще один инженер-ядерщик которые изучают, как разработать управляемый ядерный синтез с целью производства электроэнергии.

Результат JET демонстрирует замечательные успехи в понимании физики термоядерного синтеза. Но что не менее важно, это показывает, что новые материалы, использованные для изготовления внутренних стенок термоядерного реактора, работали так, как предполагалось. Тот факт, что новая конструкция стены работала так же хорошо, как и раньше, отделяет эти результаты от предыдущих вех и повышает магнитный синтез. из сна к реальности.

Слияние частиц вместе

Ядерный синтез — это слияние двух атомных ядер в одно составное ядро. Затем это ядро ​​распадается и высвобождает энергию в виде новых атомов и частиц, которые ускоряются, удаляясь от реакции. Термоядерная электростанция будет улавливать улетающие частицы и использовать их энергию для выработки электроэнергии.

Есть несколько разные способы безопасного управления термоядерным синтезом на Земле. Наше исследование сосредоточено на подходе, используемом JET: использование мощные магнитные поля для удержания атомов пока они не нагреются до температуры, достаточной для их плавления.

Топливом для нынешних и будущих реакторов являются два разных изотопа водорода — это означает, что они имеют один протон, но разное количество нейтронов — называемые дейтерий и тритий. Обычный водород имеет в ядре один протон и не содержит нейтронов. У дейтерия один протон и один нейтрон, а у трития один протон и два нейтрона.

Чтобы реакция синтеза прошла успешно, атомы топлива должны сначала стать настолько горячими, чтобы электроны вырвались из ядер. Это создает плазму — совокупность положительных ионов и электронов. Затем вам нужно продолжать нагревать эту плазму, пока она не достигнет температуры более 200 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов по Цельсию). Эта плазма должна находиться в замкнутом пространстве при высокой плотности в течение достаточно длительного периода времени, чтобы атомы топлива сталкиваются друг с другом и сливаются вместе.

Чтобы контролировать термоядерный синтез на Земле, исследователи разработали устройства в форме пончика.называются токамаки — которые используют магнитные поля для сдерживания плазмы. Линии магнитного поля, огибающие внутреннюю часть пончика, действуют как железнодорожные пути, по которым следуют ионы и электроны. Вводя энергию в плазму и нагревая ее, можно разогнать частицы топлива до таких высоких скоростей, что при их столкновении, а не отскоке друг от друга, ядра топлива сливаются воедино. Когда это происходит, они выделяют энергию, в основном в виде быстрых нейтронов.

В процессе термоядерного синтеза частицы топлива постепенно удаляются от горячей и плотной активной зоны и, в конце концов, сталкиваются с внутренней стенкой термоядерного реактора. Чтобы стены не разрушались из-за этих столкновений, которые, в свою очередь, также загрязняют термоядерное топливо, реакторы построены таким образом, что они направляют своенравные частицы в тяжело бронированную камеру, называемую дивертором. Это откачивает отведенные частицы и отводит избыточное тепло для защиты токамака.

Стены важны

Основным ограничением прошлых реакторов был тот факт, что диверторы не могли выдержать постоянную бомбардировку частицами более чем на несколько секунд. Чтобы термоядерная энергетика работала в коммерческих целях, инженерам необходимо построить судно-токамак, который выдержит годы использования в условиях, необходимых для термоядерного синтеза.

Стенка дивертора является первым соображением. Хотя частицы топлива намного холоднее, когда они достигают дивертора, у них все еще достаточно энергии, чтобы выбивать атомы из материала стенки дивертора при столкновении с ним. Раньше у дивертора JET была стенка из графита, но графит поглощает и удерживает слишком много топлива для практического использования.

Примерно в 2011 году инженеры JET модернизировали дивертор и внутренние стенки корпуса, сделав их вольфрамовыми. Вольфрам был выбран отчасти потому, что у него самая высокая температура плавления среди всех металлов — чрезвычайно важная характеристика, когда дивертор, вероятно, будет испытывать тепловые нагрузки, близкие к В 10 раз выше, чем носовой обтекатель космического челнока. вновь войти в атмосферу Земли. Внутренняя стенка сосуда токамака была модернизирована с графита на бериллий. Бериллий обладает превосходными тепловыми и механическими свойствами для термоядерного реактора. поглощает меньше топлива, чем графит, но все же может выдерживать высокие температуры.

Энергия, произведенная JET, была тем, что попало в заголовки, но мы утверждаем, что на самом деле именно использование новых стеновых материалов делает эксперимент действительно впечатляющим, потому что будущим устройствам потребуются эти более прочные стенки для работы на высокой мощности в течение еще более длительных периодов времени. времени. JET — это успешное доказательство концепции создания термоядерных реакторов следующего поколения.

Следующие термоядерные реакторы

Токамак JET — это самый большой и самый совершенный реактор на магнитном синтезе, работающий в настоящее время. Но следующее поколение реакторов уже находится в разработке, в первую очередь эксперимент ИТЭР, который должен начать работу в 2027 году. ИТЭР, что в переводе с латыни означает «путь», строятся во Франции и финансируется и направляется международной организацией, в которую входят США.

ИТЭР собирается использовать многие из достижений JET в области материалов, которые доказали свою жизнеспособность. Но есть и некоторые ключевые отличия. Во-первых, ИТЭР огромен. Камера слияния есть 37 футов (11.4 метра) в высоту и 63 фута (19.4 метра) в окружности, более чем в восемь раз больше, чем JET. Кроме того, в ИТЭР будут использоваться сверхпроводящие магниты, способные производить более сильные магнитные поля в течение более длительных периодов времени по сравнению с магнитами JET. Ожидается, что с этими модернизациями ИТЭР побьет рекорды JET по термоядерному синтезу как по выходной энергии, так и по продолжительности реакции.

Также ожидается, что ИТЭР сделает что-то важное для идеи термоядерной электростанции: будет производить больше энергии, чем требуется для нагрева топлива. Модели предсказывают, что ИТЭР будет непрерывно производить около 500 мегаватт энергии в течение 400 секунд, при этом потребляя всего 50 МВт энергии для нагрева топлива. Это означает, что реактор произвел в 10 раз больше энергии, чем потреблял— огромное улучшение по сравнению с JET, которое требовало примерно в три раза больше энергии для нагрева топлива, чем оно произвело за недавнее Рекорд 59 мегаджоулей.

Недавние результаты JET показали, что годы исследований в области физики плазмы и материаловедения окупились и привели ученых к порогу использования термоядерного синтеза для производства электроэнергии. ИТЭР станет огромным шагом вперед к созданию термоядерных электростанций промышленного масштаба.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: Рсвилкокс/Wikimedia Commons

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/