Englantilaisen laboratorion tutkijat ovat rikkoneet ennätyksen hallitun ja jatkuvan fuusioreaktion aikana tuotetun energian määrästä. Jotkut uutiskanavat ovat kutsuneet 59 megajoulen energian tuotantoa viidessä sekunnissa Joint European Torus- tai JET-kokeessa Englannissa "läpimurrokseksi", ja se on aiheuttanut paljon jännitystä fyysikkojen keskuudessa. Mutta yhteinen linja fuusiosähkön tuotannossa on, että se on "aina 20 vuoden päässä".
Olemme ydinfyysikko ja ydininsinööri, joka tutkii, miten voidaan kehittää hallittua ydinfuusiota sähkön tuottamiseksi.
JET-tulos osoittaa huomattavaa edistystä fuusiofysiikan ymmärtämisessä. Mutta yhtä tärkeää se osoittaa, että fuusioreaktorin sisäseinien rakentamiseen käytetyt uudet materiaalit toimivat tarkoitetulla tavalla. Se, että uusi seinärakenne toimi yhtä hyvin kuin se teki, erottaa nämä tulokset aikaisemmista virstanpylväistä ja nostaa magneettisen fuusion unelmasta kohti todellisuutta.
hiukkasten sulattaminen yhteen
Ydinfuusio on kahden atomiytimen sulautumista yhdeksi yhdisteytimeksi. Tämä ydin sitten hajoaa ja vapauttaa energiaa uusien atomien ja hiukkasten muodossa, jotka nopeutuvat reaktiosta. Fuusiovoimalaitos kerää karkaavat hiukkaset ja käyttäisi niiden energiaa sähkön tuottamiseen.
On olemassa muutamia eri tapoja hallita fuusiota turvallisesti maan päällä. Tutkimuksemme keskittyy JET:n lähestymistapaan – voimakkaiden magneettikenttien käyttö atomien rajoittamiseen, kunnes ne kuumennetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, jotta ne sulautuvat.
Nykyisten ja tulevien reaktoreiden polttoaineena on kaksi erilaista vedyn isotooppia – eli niissä on yksi protoni, mutta eri määrä neutroneja – nimeltään deuterium ja tritium. Normaalissa vedyssä on yksi protoni, eikä ytimessä ole neutroneja. Deuteriumissa on yksi protoni ja yksi neutroni, kun taas tritiumissa on yksi protoni ja kaksi neutronia.
Fuusioreaktion onnistuminen edellyttää, että polttoaineatomien tulee ensin kuumeta niin, että elektronit irtoavat ytimistä. Tämä luo plasman - kokoelman positiivisia ioneja ja elektroneja. Sinun on sitten lämmitettävä plasmaa, kunnes se saavuttaa yli 200 miljoonan Fahrenheit-asteen (100 miljoonaa Celsius-astetta). Tätä plasmaa on sitten pidettävä suljetussa tilassa suurissa tiheyksissä riittävän pitkän ajan, jotta polttoaineatomit törmäävät toisiinsa ja sulautuvat yhteen.
Tutkijat kehittivät donitsin muotoisia laitteita, joita kutsutaan tokamakiksi, hallitsemaan fuusiota maan päällä, jotka käyttävät magneettikenttiä plasman säilyttämiseen. Donitsin sisäpuolen ympärille kietoutuvat magneettikenttäviivat toimivat junan raiteena, jota ionit ja elektronit seuraavat. Ruiskuttamalla energiaa plasmaan ja lämmittämällä sitä voidaan kiihdyttää polttoainehiukkaset niin suuriin nopeuksiin, että niiden törmäyksessä polttoaineytimet sulautuvat toisiinsa sen sijaan, että ne pomppasivat toisistaan. Kun näin tapahtuu, ne vapauttavat energiaa, pääasiassa nopeasti liikkuvien neutronien muodossa.
Fuusioprosessin aikana polttoainehiukkaset ajautuvat vähitellen pois kuumasta, tiheästä ytimestä ja törmäävät lopulta fuusioastian sisäseinään. Seinien hajoamisen estämiseksi näiden törmäysten vuoksi – mikä puolestaan saastuttaa myös fuusiopolttoaineen – reaktorit rakennetaan siten, että ne kanavoivat poispäin suuntautuvat hiukkaset kohti vahvasti panssaroitua kammiota, jota kutsutaan diverttoriksi. Tämä pumppaa pois kulkeutuneita hiukkasia ja poistaa ylimääräisen lämmön tokamakin suojaamiseksi.
Seinät ovat tärkeitä
Aiempien reaktoreiden suuri rajoitus on ollut se, että kääntimet eivät kestä jatkuvaa hiukkaspommitusta muutamaa sekuntia pidempään. Jotta fuusiovoima toimisi kaupallisesti, insinöörien on rakennettava tokamak-alus, joka kestää vuosia käytössä fuusiolle välttämättömissä olosuhteissa.
Käyttäjäseinä on ensimmäinen asia. Vaikka polttoainehiukkaset ovat paljon viileämpiä, kun ne saavuttavat divertterin, niillä on silti tarpeeksi energiaa irrottaa atomit irtoamaan divertterin seinämateriaalista, kun ne törmäävät siihen. Aikaisemmin JET:n diverttorissa oli grafiittiseinä, mutta grafiitti imee ja vangitsee liikaa polttoainetta käytännön käyttöön.
Noin vuonna 2011 JET:n insinöörit päivittivät divertterin ja astian sisäseinät volframiin. Volframi valittiin osittain siksi, että sillä on metallien korkein sulamispiste – erittäin tärkeä ominaisuus, kun divertteri kokee todennäköisesti lähes 10 kertaa korkeamman lämpökuorman kuin Maan ilmakehään palaavan avaruussukkulan nokkakartio. Tokamakin suonen sisäseinä päivitettiin grafiitista berylliumiksi. Berylliumilla on erinomaiset lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet fuusioreaktorille – se imee vähemmän polttoainetta kuin grafiitti, mutta kestää silti korkeita lämpötiloja.
JET:n tuottama energia nousi otsikoihin, mutta väitämme, että uusien seinämateriaalien käyttö tekee kokeilusta todella vaikuttavan, koska tulevat laitteet tarvitsevat näitä kestävämpiä seiniä toimiakseen suurella teholla jopa pidempiä aikoja. JET on onnistunut konseptin osoitus uuden sukupolven fuusioreaktorien rakentamisesta.
Seuraavat fuusioreaktorit
JET-tokamak on suurin ja edistynein tällä hetkellä käytössä oleva magneettinen fuusioreaktori. Mutta seuraavan sukupolven reaktoreita on jo työn alla, erityisesti ITER-kokeilu, jonka on määrä aloittaa toimintansa vuonna 2027. ITER – joka on latinaksi "tie" - on rakenteilla Ranskassa, ja sitä rahoittaa ja ohjaa kansainvälinen järjestö, joka sisältää USA:n
ITER aikoo ottaa käyttöön monia JET:n elinkelpoisiksi osoittamista aineellisista edistysaskeleista. Mutta on myös joitain keskeisiä eroja. Ensinnäkin ITER on massiivinen. Fuusiokammio on 37 jalkaa (11,4 metriä) korkea ja 63 jalkaa (19,4 metriä) ympärillä – yli kahdeksan kertaa suurempi kuin JET. Lisäksi ITER käyttää suprajohtavia magneetteja, jotka pystyvät tuottamaan voimakkaampia magneettikenttiä pidempään kuin JETin magneetit. Näiden päivitysten myötä ITERin odotetaan murskaavan JETin fuusioennätyksiä – sekä energiantuotannon että reaktion keston suhteen.
ITERin odotetaan myös tekevän jotain keskeistä fuusiovoimalaitoksen idealle: tuottaa enemmän energiaa kuin kuluu polttoaineen lämmittämiseen. Mallit ennustavat, että ITER tuottaa noin 500 megawattia tehoa jatkuvasti 400 sekunnin ajan kuluttaen vain 50 MW energiaa polttoaineen lämmittämiseen. Tämä tarkoittaa, että reaktori tuotti 10 kertaa enemmän energiaa kuin se kulutti – valtava parannus JET:hen verrattuna, joka vaati noin kolme kertaa enemmän energiaa polttoaineen lämmittämiseen kuin se tuotti viimeisimmän 59 megajoulen ennätyksensä aikana.
JETin äskettäinen ennätys on osoittanut, että vuosien tutkimus plasmafysiikan ja materiaalitieteen alalla on tuottanut tulosta ja tuonut tutkijat fuusion valjastamiseen sähköntuotannossa. ITER tarjoaa valtavan harppauksen kohti teollisen mittakaavan fuusiovoimaloiden tavoitetta.
Tutki lisää
Fuusiolaitos asettaa uuden energian maailmanennätyksenToimittaja The Conversation
Tämä artikkeli on julkaistu uudelleen The Conversationista Creative Commons -lisenssillä. Lue alkuperäinen artikkeli.
Sitanaus: Paremmat ydinfuusioreaktorin seinät edustavat suurta teknistä edistystä tekniikassa (2022, huhtikuu5), haettu 20. toukokuuta 2022 osoitteesta https://phys.org/news/2022-04-nuclear-fusion- reactor-walls-major.htmlTämä asiakirja on tekijänoikeuksien alainen. Yksityistä opiskelua tai tutkimusta varten tapahtuvaa reilua kauppaa lukuun ottamatta mitään osaa ei saa kopioida ilman kirjallista lupaa. Sisältö on tarkoitettu vain tiedoksi.
