Nuklear fusion:At bygge en stjerne på Jorden er svært, derfor har vi brug for bedre materialer

Nuklear fusion er den proces, der driver Solen og alle andre stjerner. Under fusion, to atomers kerner er bragt tæt nok sammen til at de smelter sammen, frigiver enorme mængder energi.

At kopiere denne proces på Jorden har potentialet til at levere næsten ubegrænset elektricitet med praktisk talt ingen kulstofemissioner og større sikkerhed, og uden samme niveau af nukleart affald som fission.

Men at bygge det, der egentlig er en ministjerne på Jorden og holde det sammen inde i en reaktor, er ikke en let opgave. Det kræver enorme temperaturer og tryk og ekstremt stærke magnetfelter.

Lige nu har vi ikke helt materialer, der er i stand til at modstå disse ekstremer. Men forskere som mig arbejder på at udvikle dem, og vi har fundet nogle spændende ting undervejs.

Tokamaks

Der er mange måder at begrænse kernefusionsreaktioner på på Jorden, men den mest almindelige bruger en donutformet enhed kaldet en tokamak. Inde i tokamak, brændstofferne til reaktionen - isotoper af brint kaldet deuterium og tritium - opvarmes, indtil de bliver til et plasma. Et plasma er, når elektronerne i atomerne har energi nok til at undslippe kernerne og begynder at flyde rundt. Fordi det består af elektrisk ladede partikler, i modsætning til en normal gas, det kan være indeholdt i et magnetfelt. Det betyder, at den ikke rører reaktorsiderne - i stedet den flyder i midten i en donutform.

Når deuterium og tritium har nok energi, smelter de sammen, skabe helium, neutroner og frigiver energi. Plasmaet skal nå temperaturer på 100 millioner grader Celsius, for at store mængder fusion kan ske - ti gange varmere end Solens centrum. Det skal være meget varmere, fordi Solen har en meget højere tæthed af partikler.

Selvom det for det meste er indeholdt i et magnetfelt, reaktoren skal stadig modstå enorme temperaturer. Hos Iter, verdens største fusionseksperiment, forventes bygget i 2035, den varmeste del af maskinen ville nå omkring 1, 300 ℃.

Mens plasmaet for det meste vil være indeholdt i et magnetfelt, der er tidspunkter, hvor plasmaet kan kollidere med reaktorens vægge. Dette kan resultere i erosion, brændstof, der implanteres i væggene og modifikationer af materialeegenskaberne.

Ud over de ekstreme temperaturer, vi skal også overveje biprodukterne fra fusionsreaktionen af ​​deuterium og tritium, som neutroner med ekstrem høj energi. Neutroner har ingen ladning, så de kan ikke indesluttes af magnetfeltet. Det betyder, at de rammer reaktorens vægge, forårsager skade.

Gennembruddene

Alle disse utroligt komplekse udfordringer har bidraget til enorme fremskridt inden for materialer gennem årene. En af de mest bemærkelsesværdige har været højtemperatur superledende magneter, som bliver brugt af forskellige fusionsprojekter. Disse opfører sig som superledere ved temperaturer under kogepunktet for flydende nitrogen. Selvom det lyder koldt, det er højt sammenlignet med de meget koldere temperaturer, som andre superledere har brug for.

I fusion, disse magneter er kun få meter væk fra de høje temperaturer inde i tokamak, skabe en enormt stor temperaturgradient. Disse magneter har potentialet til at generere meget stærkere magnetfelter end konventionelle superledere, som dramatisk kan reducere størrelsen af ​​en fusionsreaktor og kan fremskynde udviklingen af ​​kommerciel fusion.

Vi har nogle materialer, der er designet til at klare de forskellige udfordringer, vi kaster på dem i en fusionsreaktor. Frontløberne i øjeblikket er reducerede aktiveringsstål, som har en ændret sammensætning til traditionelle stål, så niveauet af aktivering fra neutronskader reduceres, og wolfram.

En af de fedeste ting i videnskaben er, at noget oprindeligt set som et potentielt problem kan blive til noget positivt. Fusion er ingen undtagelse fra dette, og et meget niche, men bemærkelsesværdigt eksempel er tilfældet med wolframfuzz. Fuzz er en nanostruktur, der dannes på wolfram, når den udsættes for heliumplasma under fusionsforsøg. Oprindeligt betragtet som et potentielt problem på grund af frygt for erosion, der er nu forskning i ikke-fusionsapplikationer, herunder solvandsspaltning - nedbryder det til brint og ilt.

Imidlertid, intet materiale er perfekt, og der er flere problemer tilbage. Disse omfatter fremstilling af reducerede aktiveringsmaterialer i stor skala og den iboende skørhed af wolfram, hvilket gør det til en udfordring at arbejde med. Vi skal forbedre og forfine de eksisterende materialer, vi har.

Udfordringerne

På trods af de enorme fremskridt inden for materialer til fusion, der er stadig meget arbejde, der skal gøres. Hovedproblemet er, at vi er afhængige af adskillige proxy-eksperimenter for at genskabe potentielle reaktorforhold, og skal prøve at sy disse data sammen, ofte ved hjælp af meget små prøver. Detaljeret modelleringsarbejde hjælper med at ekstrapolere forudsigelser af materialeydelse. Det ville være meget bedre, hvis vi kunne teste vores materialer i virkelige situationer.

Pandemien har haft stor indflydelse på materialeforskning, fordi det har været sværere at udføre eksperimenter fra det virkelige liv. Det er virkelig vigtigt, at vi fortsætter med at udvikle og bruge avancerede modeller til at forudsige materialeydelse. Dette kan kombineres med fremskridt inden for maskinlæring, at identificere de nøgleeksperimenter, vi skal fokusere på og identificere de bedste materialer til opgaven i fremtidige reaktorer.

Fremstillingen af ​​nye materialer har typisk været i små partier, kun fokuserer på at producere nok materialer til eksperimenter. Fremadrettet, flere virksomheder vil fortsætte med at arbejde med fusion, og der vil være flere programmer, der arbejder på eksperimentelle reaktorer eller prototyper.

På grund af dette, vi er på det stadium, hvor vi skal tænke mere over industrialisering og udvikling af forsyningskæder. Efterhånden som vi rykker tættere på prototypereaktorer og forhåbentlig kraftværker i fremtiden, at udvikle robuste forsyningskæder i stor skala vil være en kæmpe udfordring.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.