Учени от лаборатория в Англия разбиха рекорда за количеството енергия, произведено по време на контролирана, продължителна реакция на синтез. Производството на 59 мегаджаула енергия за пет секунди в експеримента Joint European Torus — или JET — в Англия беше наречено „пробив“ от някои новинарски издания и предизвика доста вълнение сред физиците. Но обща линия по отношение на производството на електричество от термоядрения синтез е, че то е „винаги след 20 години“.
Ние сме ядрен физик и ядрен инженер, които изучаваме как да разработим контролиран ядрен синтез с цел генериране на електричество.
Резултатът от JET демонстрира забележителен напредък в разбирането на физиката на термоядрения синтез. Но също толкова важно е, че това показва, че новите материали, използвани за изграждането на вътрешните стени на термоядрения реактор, са работили по предназначение. Фактът, че новата конструкция на стената се представи толкова добре, колкото се е представила, е това, което разделя тези резултати от предишните етапи и издига магнитния синтез от мечта към реалност.
Сливане на частици заедно
Ядреният синтез е сливането на две атомни ядра в едно съставно ядро. След това това ядро се разпада и освобождава енергия под формата на нови атоми и частици, които ускоряват реакцията. Електрическа централа за синтез ще улови избягалите частици и ще използва тяхната енергия за генериране на електричество.
Има няколко различни начина за безопасен контрол на термоядрения синтез на Земята. Нашето изследване се фокусира върху подхода, възприет от JET - използване на мощни магнитни полета за ограничаване на атомите, докато се нагреят до достатъчно висока температура, за да се стопят.
Горивото за настоящите и бъдещите реактори са два различни изотопа на водорода — което означава, че имат един протон, но различен брой неутрони — наречени деутерий и тритий. Нормалният водород има един протон и няма неутрони в ядрото си. Деутерият има един протон и един неутрон, докато тритият има един протон и два неутрона.
За да бъде успешна реакцията на синтез, атомите на горивото трябва първо да станат толкова горещи, че електроните да се освободят от ядрата. Това създава плазма - колекция от положителни йони и електрони. След това трябва да продължите да нагрявате тази плазма, докато достигне температура над 200 милиона градуса по Фаренхайт (100 милиона по Целзий). След това тази плазма трябва да се държи в затворено пространство при висока плътност за достатъчно дълъг период от време, за да могат атомите на горивото да се сблъскат един с друг и да се слеят заедно.
За да контролират термоядрения синтез на Земята, изследователите разработиха устройства с форма на поничка, наречени токамаци, които използват магнитни полета, за да задържат плазмата. Линиите на магнитното поле, обвиващи вътрешността на поничката, действат като влакови релси, които следват йоните и електроните. Чрез инжектиране на енергия в плазмата и нагряването й е възможно да се ускорят частиците на горивото до толкова високи скорости, че когато се сблъскат, вместо да отскачат едно от друго, ядрата на горивото се сливат заедно. Когато това се случи, те освобождават енергия, предимно под формата на бързо движещи се неутрони.
По време на процеса на термоядрения синтез частиците на горивото постепенно се отдалечават от горещата, плътна сърцевина и в крайна сметка се сблъскват с вътрешната стена на термоядрения съд. За да се предотврати разрушаването на стените поради тези сблъсъци - което от своя страна също замърсява термоядреното гориво - реакторите са построени така, че да насочват своенравните частици към силно бронирана камера, наречена дивертор. Това изпомпва отклонените частици и премахва излишната топлина, за да защити токамака.
Стените са важни
Основно ограничение на предишните реактори е фактът, че диверторите не могат да издържат на постоянната бомбардировка с частици за повече от няколко секунди. За да накарат термоядрената енергия да работи комерсиално, инженерите трябва да изградят токамак, който да оцелее години на употреба при условията, необходими за термоядрения синтез.
Отклонителната стена е първото съображение. Въпреки че частиците на горивото са много по-хладни, когато достигнат дивертора, те все още имат достатъчно енергия, за да избият атомите от материала на стената на дивертора, когато се сблъскат с него. Преди това диверторът на JET имаше стена, направена от графит, но графитът абсорбира и улавя твърде много от горивото за практическа употреба.
Около 2011 г. инженерите на JET надстроиха отклонителя и вътрешните стени на съда до волфрам. Волфрамът беше избран отчасти, защото има най-високата точка на топене от всеки метал - изключително важна характеристика, когато има вероятност диверторът да изпита топлинни натоварвания почти 10 пъти по-високи от носовия конус на космическа совалка, навлизаща отново в земната атмосфера. Вътрешната стена на съда на токамака е подобрена от графит на берилий. Берилият има отлични термични и механични свойства за термоядрени реактори - той абсорбира по-малко гориво от графита, но все пак може да издържи на високи температури.
Произведената енергия от JET беше това, което направи заглавията, но бихме казали, че всъщност използването на новите материали за стени прави експеримента наистина впечатляващ, защото бъдещите устройства ще се нуждаят от тези по-здрави стени, за да работят с висока мощност за дори по-дълги периоди от време. JET е успешно доказателство за концепцията за това как да се изгради следващото поколение термоядрени реактори.
Следващите термоядрени реактори
Токамак JET е най-големият и най-усъвършенстван реактор за магнитен синтез, работещ в момента. Но следващото поколение реактори вече се работи, най-вече експериментът ITER, който трябва да започне работа през 2027 г. ITER - което на латински означава "пътят" - се строи във Франция и се финансира и ръководи от международна организация, която включва САЩ
ITER ще използва много от материалните постижения, които JET показа като жизнеспособни. Но има и някои ключови разлики. Първо, ITER е масивен. Камерата за синтез е висока 37 фута (11,4 метра) и 63 фута (19,4 метра) наоколо - повече от осем пъти по-голяма от JET. Освен това ITER ще използва свръхпроводящи магнити, способни да произвеждат по-силни магнитни полета за по-дълги периоди от време в сравнение с магнитите на JET. С тези надстройки се очаква ITER да разбие рекордите на JET за термоядрения синтез - както по отношение на добива на енергия, така и по отношение на продължителността на реакцията.
Очаква се също ITER да направи нещо централно за идеята за термоядрена електроцентрала: да произвежда повече енергия, отколкото е необходима за загряване на горивото. Моделите прогнозират, че ITER ще произвежда около 500 мегавата мощност непрекъснато в продължение на 400 секунди, докато консумира само 50 MW енергия за загряване на горивото. Това означава, че реакторът е произвел 10 пъти повече енергия, отколкото е консумирал – огромно подобрение спрямо JET, който изисква приблизително три пъти повече енергия за загряване на горивото, отколкото е произвел за скорошния си рекорд от 59 мегаджаула.
Неотдавнашните резултати на JET показаха, че годините изследвания в областта на физиката на плазмата и науката за материалите са се изплатили и са довели учените до прага на използването на термоядрения синтез за генериране на електроенергия. ITER ще осигури огромен скок напред към целта за термоядрени електроцентрали в промишлен мащаб.
Разгледайте още
Съоръжението за синтез поставя нов световен енергиен рекордПредоставено от The Conversation
Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.
Цитиране: По-добрите стени на реактора за ядрен синтез представляват голям инженерен напредък за технологията (2022 г., 5 април), извлечено на 20 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-04-nuclear-fusion- reactor-walls-major.htmlТози документ е обект на авторско право. Освен всякакво честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.
