Ядерний синтез досяг віхи завдяки кращим стінкам реактора

Вчені з лабораторії в Англії побили рекорд за кількістю енергії, виробленої під час контрольованої тривалої реакції синтезу. Виробництво 59 мегаджоулів енергії за п'ять секунд в експерименті Joint European Torus (JET) в Англії деякі ЗМІ називають «проривом». і викликав неабиякий ажіотаж серед фізиків. Але спільна лінія щодо термоядерне виробництво електроенергії це те, що це "завжди через 20 років».

Ми є ядерний фізик і атомник які вивчають, як розробити керований ядерний синтез з метою виробництва електроенергії.

Результати JET демонструють значний прогрес у розумінні фізики термоядерного синтезу. Але не менш важливо те, що він показує, що нові матеріали, використані для виготовлення внутрішніх стінок термоядерного реактора, працювали, як і планувалося. Той факт, що нова конструкція стіни працювала так само добре, як і раніше, є тим, що відрізняє ці результати від попередніх етапів і підносить магнітний синтез від сну до реальності.

Злиття частинок разом

Ядерний синтез — це злиття двох атомних ядер в одне складне ядро. Потім це ядро ​​розпадається і вивільняє енергію у формі нових атомів і частинок, які прискорюють реакцію. Електростанція термоядерного синтезу вловлювала б частинки, що вилітали, і використовувала їх енергію для виробництва електроенергії.

Є декілька різні способи безпечного контролю термоядерного синтезу на Землі. Наше дослідження зосереджено на підході JET: використання потужні магнітні поля для утримання атомів поки вони не нагріються до достатньо високої температури, щоб злитися.

Паливом для нинішніх і майбутніх реакторів є два різні ізотопи водню, тобто вони мають один протон, але різну кількість нейтронів. дейтерій і тритій. Нормальний водень має один протон і не містить нейтронів у ядрі. Дейтерій має один протон і один нейтрон, тоді як тритій має один протон і два нейтрони.

Щоб реакція термоядерного синтезу була успішною, атоми палива повинні спочатку стати настільки гарячими, щоб електрони звільнилися від ядер. Це створює плазму — сукупність позитивних іонів і електронів. Потім вам потрібно продовжувати нагрівати цю плазму, поки вона не досягне температури понад 200 мільйонів градусів Фаренгейта (100 мільйонів Цельсія). Цю плазму необхідно зберігати в замкнутому просторі з високою щільністю протягом достатньо тривалого періоду часу атоми палива стикаються один з одним і зливаються разом.

Щоб контролювати термоядерний синтез на Землі, дослідники розробили пристрої у формі бублика.називають токамаками — які використовують магнітні поля для утримання плазми. Лінії магнітного поля, що обертаються навколо внутрішньої сторони пончика, діють як залізничні колії, якими йдуть іони та електрони. Вводячи енергію в плазму і нагріваючи її, можна розігнати частинки палива до таких високих швидкостей, що коли вони стикаються, замість того, щоб відскакувати одне від одного, ядра палива зливаються разом. Коли це відбувається, вони вивільняють енергію, головним чином у вигляді нейтронів, що швидко рухаються.

Під час процесу термоядерного синтезу частинки палива поступово віддаляються від гарячого щільного ядра і зрештою стикаються з внутрішньою стінкою термоядерної ємності. Щоб запобігти деградації стінок через ці зіткнення, що, у свою чергу, також забруднює паливо для термоядерного синтезу, реактори побудовані так, що вони спрямовують рухомі частинки до сильно броньованої камери, яка називається дивертором. Це відкачує відведені частинки та усуває надлишок тепла, щоб захистити токамак.

Стіни важливі

Основним обмеженням колишніх реакторів був той факт, що дивертори не можуть витримувати постійне бомбардування частинками довше кількох секунд. Щоб зробити термоядерну енергію комерційною, інженерам потрібно побудувати токамак, який витримає роки використання в умовах, необхідних для термоядерного синтезу.

Перехідна стінка є першою мірою. Хоча частинки палива набагато холодніші, коли вони досягають дивертора, вони все ще мають достатньо енергії вибивають атоми, що відриваються від матеріалу стінки дивертора, коли вони стикаються з ним. Раніше дивертор JET мав стінку з графіту, але графіт поглинає і затримує занадто багато палива для практичного використання.

Приблизно в 2011 році інженери JET модернізували дивертор і внутрішні стінки посудини на вольфрам. Вольфрам був обраний частково тому, що він має найвищу температуру плавлення з усіх металів — надзвичайно важлива властивість, коли дивертор, ймовірно, зазнає теплових навантажень майже У 10 разів вище, ніж носовий конус космічного човника повернення в атмосферу Землі. Внутрішню стінку посудини токамака оновили з графіту на берилій. Берилій має відмінні теплові та механічні властивості для термоядерного реактора поглинає менше палива, ніж графіт, але може витримувати високі температури.

Енергія, яку виробляв JET, потрапила в заголовки газет, але ми стверджуємо, що насправді використання нових матеріалів для стін робить експеримент справді вражаючим, оскільки майбутнім пристроям знадобляться ці міцніші стіни, щоб працювати на високій потужності протягом навіть довших періодів. часу. JET є успішним доказом концепції створення наступного покоління термоядерних реакторів.

Наступні термоядерні реактори

Токамак JET є найбільшим і найдосконалішим реактором магнітного синтезу, що працює на даний момент. Але наступне покоління реакторів уже знаходиться в роботі, особливо експеримент ITER, який розпочне свою роботу у 2027 році. ITER, що з латині означає «шлях». будується у Франції і фінансується та керується міжнародною організацією, до якої входять США.

ITER збирається використовувати багато матеріальних досягнень, які JET показали як життєздатні. Але є також деякі ключові відмінності. По-перше, ITER є масивним. Камера плавлення є 37 футів (11.4 метра) у висоту і 63 фути (19.4 метра) навколо, більш ніж у вісім разів більше, ніж JET. Крім того, ITER використовуватиме надпровідні магніти, здатні виробляти сильніші магнітні поля протягом більш тривалого часу порівняно з магнітами JET. Завдяки цим модернізаціям ITER, як очікується, поб’є рекорди JET з термоядерного синтезу, як за виробленою енергією, так і за тривалістю реакції.

Також очікується, що ITER зробить щось центральне для ідеї термоядерної електростанції: вироблятиме більше енергії, ніж потрібно для нагрівання палива. Моделі передбачають, що ITER вироблятиме близько 500 мегават енергії безперервно протягом 400 секунд, споживаючи лише 50 МВт енергії для нагріву палива. Це означає реактор виробляє в 10 разів більше енергії, ніж споживає— величезне покращення порівняно з JET, яке вимагало приблизно втричі більше енергії для нагрівання палива, ніж воно виробляє за останній час Рекорд 59 мегаджоулів.

Останні результати JET показали, що роки досліджень у галузі фізики плазми та матеріалознавства окупилися та привели вчених до порога використання термоядерного синтезу для виробництва електроенергії. ITER забезпечить величезний стрибок вперед до мети промислових термоядерних електростанцій.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: Рсвількокс/Wikimedia Commons

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/