Vědci v laboratoři v Anglii překonali rekord v množství energie produkované během kontrolované a trvalé fúzní reakce. Produkce 59 megajoulů energie během pěti sekund při společném evropském experimentu Torus – neboli JET – v Anglii byla některými zpravodajskými servery nazývána „průlomem“ a způsobila mezi fyziky poměrně velké vzrušení. Společný názor na výrobu elektřiny z jaderné syntézy je však ten, že je „vždy vzdálená 20 let“.
Jsme jaderný fyzik a jaderný inženýr, který studuje, jak vyvinout řízenou jadernou fúzi za účelem výroby elektřiny.
Výsledek JET demonstruje pozoruhodný pokrok v chápání fyziky fúze. Ale stejně důležité je, že ukazuje, že nové materiály použité ke konstrukci vnitřních stěn fúzního reaktoru fungovaly tak, jak bylo zamýšleno. Skutečnost, že nová konstrukce stěny fungovala stejně dobře, je to, co tyto výsledky odděluje od předchozích milníků a povyšuje magnetickou fúzi ze snu na realitu.
Spojování částic dohromady
Jaderná fúze je sloučení dvou atomových jader do jednoho složeného jádra. Toto jádro se poté rozpadne a uvolní energii ve formě nových atomů a částic, které urychlují reakci. Fúzní elektrárna by zachytila unikající částice a využila jejich energii k výrobě elektřiny.
Existuje několik různých způsobů, jak bezpečně ovládat fúzi na Zemi. Náš výzkum se zaměřuje na přístup, který zvolil JET – pomocí silných magnetických polí k omezení atomů, dokud se nezahřejí na dostatečně vysokou teplotu, aby se spojily.
Palivem pro současné a budoucí reaktory jsou dva různé izotopy vodíku – to znamená, že mají jeden proton, ale různé počty neutronů – nazývané deuterium a tritium. Normální vodík má ve svém jádru jeden proton a žádné neutrony. Deuterium má jeden proton a jeden neutron, zatímco tritium má jeden proton a dva neutrony.
Aby byla fúzní reakce úspěšná, musí se atomy paliva nejprve tak zahřát, aby se elektrony uvolnily z jader. Vznikne tak plazma – sbírka kladných iontů a elektronů. Poté musíte tuto plazmu neustále zahřívat, dokud nedosáhne teploty vyšší než 200 milionů stupňů Fahrenheita (100 milionů Celsia). Toto plazma se pak musí udržovat v uzavřeném prostoru při vysokých hustotách po dostatečně dlouhou dobu, aby se atomy paliva vzájemně srazily a spojily se.
K řízení fúze na Zemi výzkumníci vyvinuli zařízení ve tvaru koblih – nazývaná tokamaky – která využívají magnetická pole k zadržení plazmatu. Magnetické siločáry obepínající vnitřek koblihy fungují jako vlakové dráhy, které ionty a elektrony sledují. Vstřikováním energie do plazmatu a jeho zahříváním je možné urychlit částice paliva na tak vysoké rychlosti, že při jejich srážce dojde k jejich vzájemnému odražení, místo aby se jádra paliva spojila. Když k tomu dojde, uvolňují energii, především ve formě rychle se pohybujících neutronů.
Během fúzního procesu se částice paliva postupně vzdalují od horkého, hustého jádra a nakonec se srazí s vnitřní stěnou fúzní nádoby. Aby se zabránilo degradaci stěn v důsledku těchto kolizí – které následně také kontaminují fúzní palivo – jsou reaktory postaveny tak, aby směrovaly nekontrolovatelné částice směrem k silně pancéřované komoře zvané divertor. To odčerpává odkloněné částice a odstraňuje veškeré přebytečné teplo, aby byl tokamak chráněn.
Stěny jsou důležité
Hlavním omezením dřívějších reaktorů byla skutečnost, že divertory nemohou přežít neustálé bombardování částicemi déle než několik sekund. Aby fúzní energie fungovala komerčně, musí inženýři postavit tokamakové plavidlo, které přežije roky používání za podmínek nezbytných pro fúzi.
Prvním aspektem je stěna divertoru. Přestože částice paliva jsou mnohem chladnější, když dosáhnou divertoru, stále mají dostatek energie na to, aby při kolizi srazily atomy z materiálu stěny divertoru. Dříve měl divertor JET stěnu vyrobenou z grafitu, ale grafit absorbuje a zachycuje příliš mnoho paliva pro praktické použití.
Kolem roku 2011 inženýři z JET modernizovali divertor a vnitřní stěny nádoby na wolfram. Wolfram byl vybrán zčásti proto, že má nejvyšší bod tání ze všech kovů – což je extrémně důležitá vlastnost, když divertor pravděpodobně zažije tepelné zatížení téměř 10krát vyšší než kužel nosu raketoplánu vracejícího se do zemské atmosféry. Vnitřní stěna nádoby tokamaku byla upravena z grafitu na berylium. Beryllium má vynikající tepelné a mechanické vlastnosti pro fúzní reaktor – absorbuje méně paliva než grafit, ale stále vydrží vysoké teploty.
Na titulky se dostaly vyrobené energie JET, ale tvrdíme, že je to ve skutečnosti použití nových materiálů stěn, díky kterým je experiment skutečně působivý, protože budoucí zařízení budou potřebovat tyto robustnější stěny, aby fungovaly při vysokém výkonu. i delší časové úseky. JET je úspěšným důkazem koncepce, jak postavit další generaci fúzních reaktorů.
Další fúzní reaktory
Tokamak JET je největší a nejpokročilejší reaktor magnetické fúze, který v současnosti funguje. Ale na další generaci reaktorů se již pracuje, zejména na experimentu ITER, který má začít fungovat v roce 2027. ITER – což je latinsky „cesta“ – je ve výstavbě ve Francii a financovaný a řízený mezinárodní organizací, která zahrnuje U.S.
ITER využije mnohé z materiálových pokroků, které JET ukázal jako životaschopné. Existují však také některé klíčové rozdíly. Za prvé, ITER je masivní. Fúzní komora je 37 stop (11,4 metru) vysoká a 63 stop (19,4 metru) kolem - více než osmkrát větší než JET. Kromě toho bude ITER využívat supravodivé magnety schopné produkovat silnější magnetická pole po delší dobu ve srovnání s magnety JET. Očekává se, že s těmito modernizacemi ITER překoná fúzní rekordy JET – jak z hlediska energetického výdeje, tak z hlediska délky trvání reakce.
Očekává se také, že ITER udělá něco zásadního pro myšlenku fúzní elektrárny: vyrobí více energie, než je potřeba k ohřevu paliva. Modely předpovídají, že ITER bude produkovat přibližně 500 megawattů energie nepřetržitě po dobu 400 sekund, přičemž na ohřev paliva spotřebuje pouze 50 MW energie. To znamená, že reaktor produkoval 10krát více energie, než spotřeboval – což je obrovské zlepšení oproti JET, který na svůj nedávný rekord 59 megajoulů vyžadoval k ohřevu paliva zhruba třikrát více energie, než kolik vyprodukoval.
Nedávné záznamy JET ukázaly, že roky výzkumu v oblasti fyziky plazmatu a vědy o materiálech se vyplatily a přivedly vědce k prahu využití fúze pro výrobu energie. ITER poskytne obrovský skok vpřed směrem k cíli průmyslových fúzních elektráren.
Prozkoumejte dále
Zařízení Fusion vytváří nový světový energetický rekordPoskytuje The Conversation
Tento článek je znovu publikován z The Conversation pod licencí Creative Commons. Přečtěte si původní článek.
Citace: Lepší stěny reaktoru pro jadernou fúzi představují významný technický pokrok pro technologii (2022, 5. dubna) získanou 20. května 2022 z https://phys.org/news/2022-04-nuclear-fusion- reaktor-walls-major.htmlTento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.
