Jedrska fuzija dosegla mejnik zahvaljujoč boljšim stenam reaktorja

Znanstveniki v laboratoriju v Angliji so podrli rekord v količini energije, proizvedene med nadzorovano, trajno fuzijsko reakcijo. Proizvodnja 59 megajoulov energije v petih sekundah na eksperimentu Joint European Torus (JET) v Angliji nekateri časopisi imenujejo "preboj". in med fiziki povzročila nemalo razburjenja. Toda skupna črta glede fuzijska proizvodnja električne energije je, da je "vedno 20 let stran«.

Mi smo jedrski fizik in jedrski inženir ki preučujejo, kako razviti nadzorovano jedrsko fuzijo za namene proizvodnje električne energije.

Rezultat JET kaže izjemen napredek v razumevanju fizike fuzije. Toda prav tako pomembno je, da kaže, da so novi materiali, uporabljeni za izdelavo notranjih sten fuzijskega reaktorja, delovali, kot je bilo predvideno. Dejstvo, da se je nova stenska konstrukcija obnesla tako dobro kot je, je tisto, kar ločuje te rezultate od prejšnjih mejnikov in dviguje magnetno fuzijo iz sanj proti realnosti.

Zlivanje delcev skupaj

Jedrska fuzija je zlitje dveh atomskih jeder v eno sestavljeno jedro. To jedro nato razpade in sprosti energijo v obliki novih atomov in delcev, ki se pospešeno oddaljijo od reakcije. Fuzijska elektrarna bi ujela uhajajoče delce in njihovo energijo uporabila za proizvodnjo električne energije.

Obstaja nekaj različne načine za varen nadzor fuzije na Zemlji. Naša raziskava se osredotoča na pristop, ki ga uporablja JET: uporaba močna magnetna polja za omejevanje atomov dokler se ne segrejejo na dovolj visoko temperaturo, da se zlijejo.

Gorivo za sedanje in prihodnje reaktorje sta dva različna izotopa vodika, kar pomeni, da imata en proton, vendar različno število nevtronov, imenovana devterij in tritij. Običajni vodik ima en proton in nima nevtronov v svojem jedru. Devterij ima en proton in en nevtron, tritij pa en proton in dva nevtrona.

Da bi bila fuzijska reakcija uspešna, se morajo atomi goriva najprej tako segreti, da se elektroni odcepijo od jeder. To ustvarja plazmo – zbirko pozitivnih ionov in elektronov. Nato morate to plazmo segrevati, dokler ne doseže temperature nad 200 milijonov stopinj Fahrenheita (100 milijonov Celzija). To plazmo je treba dovolj dolgo hraniti v zaprtem prostoru pri visoki gostoti atomi goriva trčijo drug v drugega in se spajajo.

Za nadzor fuzije na Zemlji so raziskovalci razvili naprave v obliki krofov –imenovani tokamaki — ki uporabljajo magnetna polja za zadrževanje plazme. Linije magnetnega polja, ki se ovijajo okoli notranjosti krofa, delujejo kot vlakovne tire, ki jim sledijo ioni in elektroni. Z vbrizgavanjem energije v plazmo in njenim segrevanjem je mogoče delce goriva pospešiti do tako velikih hitrosti, da se jedra goriva ob trčenju, namesto da bi se odbila drug od drugega, zlijejo. Ko se to zgodi, sprostijo energijo, predvsem v obliki hitro premikajočih se nevtronov.

Med postopkom fuzije se delci goriva postopoma oddaljujejo od vročega, gostega jedra in na koncu trčijo ob notranjo steno fuzijske posode. Da bi preprečili degradacijo sten zaradi teh trkov – kar posledično tudi onesnaži fuzijsko gorivo – so reaktorji zgrajeni tako, da usmerjajo svojeglave delce proti močno oklepni komori, imenovani divertor. To izčrpa preusmerjene delce in odstrani vso odvečno toploto za zaščito tokamaka.

Stene so pomembne

Glavna omejitev prejšnjih reaktorjev je bilo dejstvo, da divertorji ne morejo preživeti stalnega obstreljevanja z delci več kot nekaj sekund. Da bi fuzijska energija delovala komercialno, morajo inženirji zgraditi plovilo tokamak, ki bo preživelo leta uporabe pod pogoji, potrebnimi za fuzijo.

Prevodna stena je prva obravnava. Čeprav so delci goriva veliko hladnejši, ko dosežejo preusmerjevalnik, imajo še vedno dovolj energije udarni atomi se sprostijo iz materiala stene divertorja, ko trčijo vanj. Prej je imel JET-ov divertor steno iz grafita, vendar grafit absorbira in ujame preveč goriva za praktično uporabo.

Okoli leta 2011 so inženirji pri JET nadgradili preusmerjevalnik in notranje stene posode na volfram. Volfram je bil delno izbran zato, ker ima najvišje tališče med vsemi kovinami – kar je izjemno pomembna lastnost, ko je verjetno, da bo divertor skoraj doživel toplotne obremenitve. 10-krat višji od nosnega stožca raketoplana ponoven vstop v Zemljino atmosfero. Notranja stena posode tokamaka je bila nadgrajena iz grafita v berilij. Berilij ima odlične toplotne in mehanske lastnosti za fuzijski reaktor – it absorbira manj goriva kot grafit, vendar kljub temu lahko prenese visoke temperature.

Energija, ki jo je proizvedel JET, je bila tista, ki je prišla na naslovnice, vendar bi trdili, da je v resnici uporaba novih materialov sten, zaradi katerih je eksperiment resnično impresiven, saj bodo prihodnje naprave potrebovale te bolj robustne stene, da bodo delovale pri visoki moči še dlje časa. časa. JET je uspešen dokaz koncepta, kako zgraditi naslednjo generacijo fuzijskih reaktorjev.

Naslednji fuzijski reaktorji

Tokamak JET je največji in najnaprednejši magnetni fuzijski reaktor, ki trenutno deluje. Toda naslednja generacija reaktorjev je predvsem že v delu eksperiment ITER, ki naj bi začel delovati leta 2027. ITER, kar v latinščini pomeni »pot«, je v gradnji v Franciji in ga financira in vodi mednarodna organizacija, ki vključuje ZDA.

ITER bo uporabil številne materialne dosežke, ki jih je JET izkazal za izvedljive. Obstaja pa tudi nekaj ključnih razlik. Prvič, ITER je ogromen. Fuzijska komora je 37 čevljev (11.4 metra) visok in 63 čevljev (19.4 metra) okoli, več kot osemkrat večji od JET. Poleg tega bo ITER uporabljal superprevodne magnete, ki bodo sposobni proizvajati močnejša magnetna polja za daljša časovna obdobja v primerjavi z JET-ovimi magneti. S temi nadgradnjami naj bi ITER podrl fuzijske rekorde JET-a, tako glede izhodne energije kot tudi glede trajanja reakcije.

Pričakuje se tudi, da bo ITER naredil nekaj osrednjega pomena za zamisel o fuzijski elektrarni: proizvede več energije, kot je potrebno za ogrevanje goriva. Modeli predvidevajo, da bo ITER neprekinjeno proizvedel približno 500 megavatov energije 400 sekund, medtem ko bo za ogrevanje goriva porabil le 50 MW energije. To pomeni reaktor proizvede 10-krat več energije, kot jo porabi— velika izboljšava v primerjavi z JET, ki je zahtevala približno trikrat več energije za ogrevanje goriva, kot je proizvedeno za svoje nedavne Rekord 59 megajoulov.

Nedavni rezultati JET-a so pokazali, da so se leta raziskav na področju fizike plazme in znanosti o materialih izplačala in pripeljala znanstvenike na prag izkoriščanja fuzije za proizvodnjo električne energije. ITER bo zagotovil ogromen korak naprej proti cilju industrijskih fuzijskih elektrarn.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Kreditno slike: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/