Et nyt twist på fusionskraft kan hjælpe med at bringe ubegrænset ren energi

I en verden, der kæmper for at stoppe sin afhængighed af fossile brændstoffer og fodre sin voksende appetit på energi, der er én teknologi under udvikling, der næsten lyder for godt til at være sandt:atomfusion.

Hvis det virker, Fusionskraft tilbyder enorme mængder ren energi med en næsten ubegrænset brændstofkilde og praktisk talt ingen kulstofemissioner. Det er hvis det virker. Men der er hold af forskere rundt om i verden, og der bliver brugt milliarder af dollars på at sikre, at det gør det.

I februar sidste år startede et nyt kapitel af fusionsenergiforskning med den formelle åbning af Wendelstein 7-X. Dette er en eksperimentel fusionsreaktor på 1 mia. EUR (1,4 mia. A$) bygget i Greifswald, Tyskland, at teste et reaktordesign kaldet en stellarator.

Det er planen, at den omkring 2021 vil være i stand til at fungere i op til 30 minutters varighed, hvilket ville være rekord for en fusionsreaktor. Dette er et vigtigt skridt på vej mod at demonstrere et væsentligt træk ved et fremtidigt fusionskraftværk:kontinuerlig drift.

Men W-7X er ikke det eneste fusionsspil i byen. I det sydlige Frankrig bygges ITER, en eksperimentel fusionsreaktor på 20 milliarder USD (26,7 mia. USD), der bruger et andet design kaldet en tokamak. Imidlertid, selvom W-7X og ITER anvender forskellige designs, de to projekter supplerer hinanden, og innovationer i én vil sandsynligvis oversætte til et eventuelt fungerende kernefusionskraftværk.

Drejninger og drejninger

Fusionsenergi søger at replikere den reaktion, der driver vores sol, hvor to meget lette atomer, såsom brint eller helium, er smeltet sammen. Det resulterende fusionerede atom ender lidt lettere end de oprindelige to atomer, og forskellen i masse omdannes til energi efter Einsteins formel E=mc².

Vanskeligheden kommer i at tilskynde de to atomer til at smelte sammen, hvilket kræver, at de opvarmes til millioner af grader celsius. At indeholde sådan et overophedet brændstof er ikke let, så det bliver til en varm ioniseret gas – et plasma – som kan være indeholdt i et magnetfelt, så det faktisk ikke rører indersiden af ​​reaktoren.

Det, der gør W-7X særligt interessant, er dens stellarator-design. Den består af et vakuumkammer indlejret i en magnetisk flaske skabt af et system med 70 superledende magnetspoler. Disse producerer et kraftigt magnetfelt til at begrænse det varme plasma.

Stellaratorer og tokamaks er begge typer toroidale (doughnut-formede) magnetiske indeslutningsanordninger, der undersøges for fusionskraft. I disse eksperimenter skaber et stærkt toroidalt (eller ring) magnetfelt en magnetisk flaske til at begrænse plasmaet.

Imidlertid, for at plasmaet skal have god indeslutning i det doughnut-formede kammer, magnetfeltet skal have et twist. I en tokamak, såsom i ITER-reaktoren, en stor strøm flyder i plasmaet for at generere den nødvendige snoede vej. Imidlertid, den store strøm kan drive "kink" ustabilitet, hvilket kan få plasmaet til at blive forstyrret.

Hvis plasmaet forstyrres, reaktoren skal oversvømmes med gas for at standse plasmaet og forhindre det i at beskadige eksperimentet.

I en stjernestorm, vridningen i magnetfeltet opnås ved at vride hele maskinen selv. Dette fjerner den store toroidale strøm, og gør plasmaet i sig selv mere stabilt. Omkostningerne kommer i den tekniske kompleksitet af feltspolerne og reduceret indeslutning, hvilket betyder, at plasmaet er mindre let indeholdt i den magnetiske boble.

Kom sammen

Mens W7-X og ITER bruger forskellige tilgange, det meste af den underliggende teknologi er identisk. De er begge toroidale superledende maskiner, og begge bruger eksterne varmesystemer såsom radiofrekvens og neutral stråleindsprøjtning til at opvarme plasmaet, og meget af plasmadiagnostisk teknologi er fælles.

I et kraftværk, tunge isotoper af brint (deuterium og tritium) smelter sammen og danner helium sammen med en energisk neutron. Mens helium er indeholdt i plasmaet, neutronen har en neutral elektrisk ladning, og skyder af sted i "tæppet" omkring plasmaet. Dette varmer det op, som igen driver en dampturbine, der genererer elektricitet.

Et fælles træk på tværs af fusionskraft er behovet for at udvikle materialer, der kan modstå den høje varme og hurtige neutroner, der genereres af fusionsreaktionen. Uanset design, den første væg i en fusionsreaktor skal modstå et massivt bombardement fra højenergipartikler gennem hele sin levetid.

På dette tidspunkt, det er for tidligt at sige, om tokamak-designet brugt af ITER eller stellaratoren brugt af W-7X vil være bedre egnet til et kommercielt fusionskraftværk. Men påbegyndelsen af ​​forskningsdrift af W-7X vil ikke kun hjælpe med at beslutte, hvilken teknologi der kan være bedst at forfølge, men vil bidrage med værdifuld viden til eventuelle fremtidige fusionseksperimenter, og måske en dag en sand energirevolution.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.