Bedre vægge til nuklear fusionsreaktor repræsenterer et stort ingeniørmæssigt fremskridt for teknologien

Forskere ved et laboratorium i England har knust rekorden for mængden af ​​energi, der produceres under en kontrolleret, vedvarende fusionsreaktion. Produktionen af ​​59 megajoule energi over fem sekunder ved Joint European Torus-eller JET-eksperimentet i England er blevet kaldt "et gennembrud" af nogle nyhedsmedier og vakte en del begejstring blandt fysikere. Men en fælles linje med hensyn til fusionselektricitetsproduktion er, at den "altid er 20 år væk."

Vi er en kernefysiker og en nuklear ingeniør, der studerer, hvordan man udvikler kontrolleret kernefusion med det formål at generere elektricitet.

JET-resultatet demonstrerer bemærkelsesværdige fremskridt i forståelsen af ​​fusionsfysikken. Men lige så vigtigt viser det, at de nye materialer, der blev brugt til at konstruere fusionsreaktorens indervægge, fungerede efter hensigten. Det faktum, at den nye vægkonstruktion fungerede så godt, som den gjorde, er det, der adskiller disse resultater fra tidligere milepæle og løfter magnetisk fusion fra en drøm til en virkelighed.

Sammensmeltning af partikler

Nuklear fusion er sammensmeltningen af ​​to atomkerner til en sammensat kerne. Denne kerne går derefter i stykker og frigiver energi i form af nye atomer og partikler, der suser væk fra reaktionen. Et fusionskraftværk ville fange de undslippende partikler og bruge deres energi til at generere elektricitet.

Der er et par forskellige måder at kontrollere fusion på Jorden på. Vores forskning fokuserer på den tilgang, som JET tager - ved at bruge kraftige magnetiske felter til at begrænse atomer, indtil de er opvarmet til en høj nok temperatur til, at de kan smelte sammen.

Brændstoffet til nuværende og fremtidige reaktorer er to forskellige isotoper af brint - hvilket betyder, at de har den ene proton, men forskellige antal neutroner - kaldet deuterium og tritium. Normalt brint har én proton og ingen neutroner i sin kerne. Deuterium har en proton og en neutron, mens tritium har en proton og to neutroner.

For at en fusionsreaktion skal lykkes, skal brændstofatomerne først blive så varme, at elektronerne bryder fri fra kernerne. Dette skaber plasma - en samling af positive ioner og elektroner. Du skal derefter fortsætte med at opvarme det plasma, indtil det når en temperatur på over 200 millioner grader Fahrenheit (100 millioner Celsius). Dette plasma skal så holdes i et begrænset rum ved høje tætheder i en lang nok periode til, at brændstofatomerne kan kollidere ind i hinanden og smelte sammen.

For at kontrollere fusion på Jorden udviklede forskere donutformede enheder - kaldet tokamaks - som bruger magnetiske felter til at indeholde plasmaet. Magnetiske feltlinjer, der vikler sig rundt om indersiden af ​​donuten, fungerer som togskinner, som ionerne og elektronerne følger. Ved at sprøjte energi ind i plasmaet og varme det op, er det muligt at accelerere brændstofpartiklerne til så høje hastigheder, at når de kolliderer, i stedet for at prelle af hinanden, smelter brændstofkernerne sammen. Når dette sker, frigiver de energi, primært i form af hurtigt bevægende neutroner.

Under fusionsprocessen driver brændstofpartikler gradvist væk fra den varme, tætte kerne og kolliderer til sidst med fusionsbeholderens indervæg. For at forhindre væggene i at nedbrydes på grund af disse kollisioner - som igen også forurener fusionsbrændstoffet - bygges reaktorer, så de kanaliserer de egensindige partikler mod et tungt pansret kammer kaldet divertor. Dette pumper de afledte partikler ud og fjerner overskydende varme for at beskytte tokamak.

Væggene er vigtige

En væsentlig begrænsning af tidligere reaktorer har været det faktum, at omledere ikke kan overleve det konstante partikelbombardement i mere end et par sekunder. For at få fusionskraft til at fungere kommercielt er ingeniører nødt til at bygge et tokamak-fartøj, der vil overleve i mange års brug under de betingelser, der er nødvendige for fusion.

Afledningsvæggen er den første overvejelse. Selvom brændstofpartiklerne er meget køligere, når de når omlederen, har de stadig nok energi til at slå atomer løs fra omlederens vægmateriale, når de kolliderer med det. Tidligere havde JET's omleder en væg lavet af grafit, men grafit absorberer og fanger for meget af brændstoffet til praktisk brug.

Omkring 2011 opgraderede ingeniører hos JET omlederen og de indre karvægge til wolfram. Wolfram blev til dels valgt, fordi det har det højeste smeltepunkt af ethvert metal - et ekstremt vigtigt træk, når omlederen sandsynligvis vil opleve varmebelastninger, der er næsten 10 gange højere end næsekeglen på en rumfærge, der kommer ind i jordens atmosfære igen. Den indre karvæg af tokamak blev opgraderet fra grafit til beryllium. Beryllium har fremragende termiske og mekaniske egenskaber til en fusionsreaktor - det absorberer mindre brændstof end grafit, men kan stadig modstå de høje temperaturer.

Den energi, JET producerede, var det, der skabte overskrifterne, men vi vil påstå, at det faktisk er brugen af ​​de nye vægmaterialer, der gør eksperimentet virkelig imponerende, fordi fremtidige enheder vil have brug for disse mere robuste vægge til at fungere ved høj effekt i endnu længere perioder af tid. JET er et vellykket proof of concept for, hvordan man bygger den næste generation af fusionsreaktorer.

De næste fusionsreaktorer

JET tokamak er den største og mest avancerede magnetiske fusionsreaktor, der i øjeblikket er i drift. Men den næste generation af reaktorer er allerede i gang, især ITER-eksperimentet, der skal starte i drift i 2027. ITER – som er latin for "vejen" – er under opbygning i Frankrig og finansieret og ledet af en international organisation, der omfatter USA

ITER kommer til at bruge mange af de materielle fremskridt, JET viste sig at være levedygtige. Men der er også nogle vigtige forskelle. For det første er ITER massiv. Fusionskammeret er 37 fod (11,4 meter) højt og 63 fod (19,4 meter) omkring - mere end otte gange større end JET. Derudover vil ITER anvende superledende magneter, der er i stand til at producere stærkere magnetfelter i længere tid sammenlignet med JETs magneter. Med disse opgraderinger forventes ITER at smadre JET's fusionsrekorder – både for energiproduktion og hvor længe reaktionen vil løbe.

ITER forventes også at gøre noget centralt for ideen om et fusionskraftværk:producere mere energi, end det tager at opvarme brændstoffet. Modeller forudsiger, at ITER vil producere omkring 500 megawatt strøm kontinuerligt i 400 sekunder, mens det kun bruger 50 MW energi til at opvarme brændstoffet. Det betyder, at reaktoren producerede 10 gange mere energi, end den forbrugte – en enorm forbedring i forhold til JET, som krævede omkring tre gange mere energi for at opvarme brændslet, end den producerede for sin seneste rekord på 59 megajoule.

JETs seneste rekord har vist, at mange års forskning inden for plasmafysik og materialevidenskab har givet pote og bragt videnskabsmænd til døren for at udnytte fusion til elproduktion. ITER vil give et enormt spring fremad mod målet om fusionskraftværker i industriel skala. + Udforsk yderligere

Fusionsanlæg sætter ny verdensrekord i energi

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