Nukleär fusion nådde en milstolpe tack vare bättre reaktorväggar

Forskare vid ett laboratorium i England har slagit rekordet för mängden energi som produceras under en kontrollerad, ihållande fusionsreaktion. Tillverkningen av 59 megajoule energi under fem sekunder vid Joint European Torus (JET) experiment i England har varit kallas "ett genombrott" av vissa nyhetskanaler och väckte ganska mycket spänning bland fysiker. Men en gemensam linje angående fusionselproduktion är att det är "alltid 20 år bort. "

Vi är en kärnfysiker och en kärntekniker som studerar hur man utvecklar kontrollerad kärnfusion i syfte att generera elektricitet.

JET-resultatet visar anmärkningsvärda framsteg i förståelsen av fusionsfysiken. Men lika viktigt visar det att de nya materialen som användes för att konstruera fusionsreaktorns innerväggar fungerade som det var tänkt. Det faktum att den nya väggkonstruktionen presterade så bra som den gjorde är det som skiljer dessa resultat från tidigare milstolpar och höjer magnetisk fusion från en dröm mot en verklighet.

Att smälta ihop partiklar

Kärnfusion är sammanslagning av två atomkärnor till en sammansatt kärna. Denna kärna bryts sedan isär och frigör energi i form av nya atomer och partiklar som påskyndar bort från reaktionen. Ett fusionskraftverk skulle fånga upp de partiklar som flyr och använda deras energi för att generera elektricitet.

Det finns några olika sätt att säkert kontrollera fusion på jorden. Vår forskning fokuserar på JET:s tillvägagångssätt: att använda kraftfulla magnetfält för att begränsa atomer tills de värms upp till en tillräckligt hög temperatur för att de ska smälta.

Bränslet för nuvarande och framtida reaktorer är två olika isotoper av väte – vilket betyder att de har en proton, men olika antal neutroner – som kallas deuterium och tritium. Normalt väte har en proton och inga neutroner i kärnan. Deuterium har en proton och en neutron medan tritium har en proton och två neutroner.

För att en fusionsreaktion ska bli framgångsrik måste bränsleatomerna först bli så varma att elektronerna bryter sig loss från kärnorna. Detta skapar plasma - en samling positiva joner och elektroner. Du måste sedan fortsätta värma upp den plasman tills den når en temperatur över 200 miljoner grader Fahrenheit (100 miljoner Celsius). Denna plasma måste förvaras i ett begränsat utrymme vid höga densiteter under tillräckligt lång tid för att bränsleatomer att kollidera in i varandra och smälta samman.

För att kontrollera fusion på jorden utvecklade forskare munkformade enheter—kallas tokamaks — som använder magnetiska fält för att innehålla plasman. Magnetiska fältlinjer som lindar runt insidan av munken fungerar som tågspår som jonerna och elektronerna följer. Genom att spruta in energi i plasmat och värma upp det är det möjligt att accelerera bränslepartiklarna till så höga hastigheter att när de kolliderar, istället för att studsa mot varandra, smälter bränslekärnorna samman. När detta händer frigör de energi, främst i form av snabbrörliga neutroner.

Under fusionsprocessen driver bränslepartiklar gradvis bort från den heta, täta kärnan och kolliderar så småningom med fusionskärlets innervägg. För att förhindra att väggarna försämras på grund av dessa kollisioner – som i sin tur också förorenar fusionsbränslet – byggs reaktorer så att de kanaliserar de egensinniga partiklarna mot en tungt bepansrad kammare som kallas divertor. Detta pumpar ut de avledda partiklarna och tar bort all överskottsvärme för att skydda tokamak.

Väggarna är viktiga

En stor begränsning av tidigare reaktorer har varit det faktum att avledare inte kan överleva det konstanta partikelbombardementet i mer än några sekunder. För att få fusionskraft att fungera kommersiellt måste ingenjörer bygga ett tokamak-fartyg som kommer att överleva i flera år av användning under de förhållanden som krävs för fusion.

Avledningsväggen är den första faktorn. Även om bränslepartiklarna är mycket kallare när de når avledaren, har de fortfarande tillräckligt med energi till slå loss atomer från avledarens väggmaterial när de kolliderar med det. Tidigare hade JET:s avledare en vägg av grafit, men grafit absorberar och fångar för mycket av bränslet för praktisk användning.

Runt 2011 uppgraderade ingenjörer på JET avledaren och de inre kärlväggarna till volfram. Volfram valdes delvis för att det har den högsta smältpunkten av någon metall - en extremt viktig egenskap när avledaren sannolikt kommer att uppleva värmebelastningar nästan 10 gånger högre än noskonen på en rymdfärja återinträde i jordens atmosfär. Tokamaks inre kärlvägg uppgraderades från grafit till beryllium. Beryllium har utmärkta termiska och mekaniska egenskaper för en fusionsreaktor - det absorberar mindre bränsle än grafit men tål ändå de höga temperaturerna.

Energin JET producerade var det som skapade rubrikerna, men vi skulle hävda att det faktiskt är användningen av de nya väggmaterialen som gör experimentet riktigt imponerande eftersom framtida enheter kommer att behöva dessa mer robusta väggar för att fungera med hög effekt under ännu längre perioder av tid. JET är ett framgångsrikt proof of concept för hur man bygger nästa generations fusionsreaktorer.

Nästa fusionsreaktorer

JET-tokamak är den största och mest avancerade magnetiska fusionsreaktorn som för närvarande är i drift. Men nästa generation av reaktorer är redan i arbete, framför allt ITER-experimentet, som kommer att starta sin verksamhet 2027. ITER, som är latin för "vägen", är under uppbyggnad i Frankrike och finansieras och styrs av en internationell organisation som inkluderar USA.

ITER kommer att använda många av de materiella framstegen som JET visade vara genomförbara. Men det finns också några viktiga skillnader. För det första är ITER massiv. Fusionskammaren är 37 fot (11.4 meter) hög och 63 fot (19.4 meter) runt, mer än åtta gånger större än JET. Dessutom kommer ITER att använda supraledande magneter som kan producera starkare magnetfält under längre tidsperioder jämfört med JET:s magneter. Med dessa uppgraderingar förväntas ITER slå sönder JET:s fusionsrekord, både för energiproduktion och hur länge reaktionen kommer att pågå.

ITER förväntas också göra något centralt för idén om ett fusionskraftverk: producera mer energi än vad som krävs för att värma bränslet. Modeller förutspår att ITER kommer att producera cirka 500 megawatt effekt kontinuerligt i 400 sekunder samtidigt som den bara förbrukar 50 MW energi för att värma upp bränslet. Det betyder reaktorn producerade 10 gånger mer energi än den förbrukade—en enorm förbättring jämfört med JET, vilket krävde ungefär tre gånger mer energi för att värma bränslet än vad det producerade för dess senaste Rekord på 59 megajoule.

JET:s senaste rekord har visat att år av forskning inom plasmafysik och materialvetenskap har lönat sig och fört forskare till tröskeln för att utnyttja fusion för kraftgenerering. ITER kommer att ge ett enormt steg framåt mot målet med fusionskraftverk i industriell skala.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

• Myntsmart. Europas bästa bitcoin- och kryptobörs.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. FRI TILLGÅNG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis provperiod.
• Källa: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/