Og fusjonen?

Rapporter på slutten av fjoråret om bygging av en reaktor for syntese av kinesiske spesialister hørtes oppsiktsvekkende ut (1). Kinas statlige medier rapporterte at HL-2M-anlegget, som ligger ved et forskningssenter i Chengdu, vil være i drift i 2020. Tonen i medieoppslagene indikerte at spørsmålet om tilgang til den uuttømmelige energien til termonukleær fusjon var løst for alltid.

En nærmere titt på detaljene bidrar til å kjøle ned optimismen.

Nowy apparater av typen tokamak, med en mer avansert design enn de som er kjent så langt, skal generere plasma med temperaturer over 200 millioner grader Celsius. Dette ble kunngjort i en pressemelding fra lederen av Southwestern Institute of Physics ved China National Nuclear Corporation Duan Xiuru. Enheten vil gi teknisk støtte til kineserne som jobber med prosjektet Internasjonal termonukleær eksperimentell reaktor (ITER)samt konstruksjon.

Så jeg tror det ennå ikke er en energirevolusjon, selv om det ble skapt av kineserne. reaktor KhL-2M så langt er lite kjent. Vi vet ikke hva den forutsagte termiske utgangen til denne reaktoren er eller hvilke energinivåer som trengs for å kjøre en kjernefysisk fusjonsreaksjon i den. Vi vet ikke det viktigste – er den kinesiske fusjonsreaktoren et design med positiv energibalanse, eller er det bare enda en eksperimentell fusjonsreaktor som tillater en fusjonsreaksjon, men som samtidig krever mer energi for «tenning» enn energien som kan oppnås som følge av reaksjoner.

Internasjonal innsats

Kina er sammen med EU, USA, India, Japan, Sør-Korea og Russland medlemmer av ITER-programmet. Dette er det dyreste av de nåværende internasjonale forskningsprosjektene som er finansiert av de ovennevnte landene, og koster rundt 20 milliarder dollar. Det ble åpnet som et resultat av samarbeid mellom regjeringene til Mikhail Gorbatsjov og Ronald Reagan under den kalde krigen, og ble mange år senere inkludert i en traktat signert av alle disse landene i 2006.

2. På byggeplassen til ITER tokamak

ITER-prosjektet i Cadarache i Sør-Frankrike (2) utvikler verdens største tokamak, det vil si et plasmakammer som må temmes ved hjelp av et kraftig magnetfelt generert av elektromagneter. Denne oppfinnelsen ble utviklet av Sovjetunionen på 50- og 60-tallet. Prosjektleder, Lavan Koblenz, kunngjorde at organisasjonen skulle motta den "første plasmaen" innen desember 2025. ITER skulle støtte en termonukleær reaksjon for omtrent 1 tusen mennesker hver gang. sekunder, får styrke 500-1100 MW. Til sammenligning, den største britiske tokamak til dags dato, JETFLY (joint European torus), beholder en reaksjon i flere titalls sekunder og får styrke opp til 16 MW. Energien i denne reaktoren vil frigjøres i form av varme – den skal ikke omdannes til elektrisitet. Å levere fusjonskraft til nettet er uaktuelt da prosjektet kun er for forskningsformål. Det er kun på grunnlag av ITER at den fremtidige generasjonen termonukleære reaktorer vil bli bygget, og når kraften 3-4 tusen. MW.

Hovedårsaken til at vanlige fusjonskraftverk fortsatt ikke eksisterer (til tross for over seksti år med omfattende og kostbar forskning) er vanskeligheten med å kontrollere og «administrere» plasmaets oppførsel. År med eksperimentering har imidlertid gitt mange verdifulle funn, og i dag virker fusjonsenergi nærmere enn noen gang.

Tilsett helium-3, rør og varm opp

ITER er hovedfokus for global fusjonsforskning, men mange forskningssentre, selskaper og militærlaboratorier jobber også med andre fusjonsprosjekter som avviker fra den klassiske tilnærmingen.

For eksempel gjennomført de siste årene på fra Massachusetts Institute of Technology eksperimenter med Helem-3 på tokamak ga spennende resultater, bl.a tidoblet energiøkning plasmaion. Forskere som utfører eksperimenter på C-Mod tokamak ved Massachusetts Institute of Technology, har sammen med spesialister fra Belgia og Storbritannia utviklet en ny type termonukleært brensel som inneholder tre typer ioner. Team Alcatel C-Mod (3) gjennomførte en studie tilbake i september 2016, men dataene fra disse eksperimentene har først nylig blitt analysert, og avslører en enorm økning i plasmaenergi. Resultatene var så oppmuntrende at forskerne som driver verdens største opererende fusjonslaboratorium, JET i Storbritannia, bestemte seg for å gjenta forsøkene. Den samme økningen i energi ble oppnådd. Resultatene av studien er publisert i tidsskriftet Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod i drift

Nøkkelen til å øke effektiviteten til kjernebrensel var tilsetningen av spormengder av helium-3, en stabil isotop av helium, med ett nøytron i stedet for to. Kjernebrenselet som ble brukt i Alcator C-metoden inneholdt tidligere bare to typer ioner, deuterium og hydrogen. Deuterium, en stabil isotop av hydrogen med et nøytron i kjernen (i motsetning til hydrogen uten nøytroner), utgjør omtrent 95 % av drivstoffet. Forskere ved Plasma Research Center og Massachusetts Institute of Technology (PSFC) brukte en prosess kalt RF oppvarming. Antennene ved siden av tokamak bruker en spesifikk radiofrekvens for å eksitere partiklene, og bølgene er kalibrert for å "målrette" mot hydrogenionene. Fordi hydrogen utgjør en liten brøkdel av den totale tettheten til drivstoffet, gjør det å konsentrere bare en liten brøkdel av ionene på oppvarming at ekstreme energinivåer kan nås. Videre passerer de stimulerte hydrogenionene til deuteriumionene som er rådende i blandingen, og partiklene som dannes på denne måten kommer inn i det ytre skallet av reaktoren og frigjør varme.

Effektiviteten til denne prosessen øker når helium-3-ioner tilsettes til blandingen i en mengde på mindre enn 1%. Ved å konsentrere all radiooppvarming på en liten mengde helium-3, hevet forskerne energien til ionene til megaelektronvolt (MeV).

Førstemann til mølla Tilsvarende på russisk: Spise sent gjest og bein

Det har vært mange utviklinger i verden av kontrollert fusjonsarbeid i løpet av de siste årene som har vekket håpet til vitenskapsmenn og oss alle om endelig å nå den "hellige gral" av energi.

Gode ​​signaler inkluderer blant annet funn fra Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ved US Department of Energy (DOE). Radiobølger har blitt brukt med stor suksess for å redusere de såkalte plasmaforstyrrelsene betydelig, som kan være avgjørende i prosessen med å «kle opp» termonukleære reaksjoner. Det samme forskerteamet i mars 2019 rapporterte et litium-tokamak-eksperiment der de indre veggene i testreaktoren ble belagt med litium, et materiale som er velkjent fra batterier som vanligvis brukes i elektronikk. Forskerne bemerket at litiumforingen på veggene til reaktoren absorberer spredte plasmapartikler, og hindrer dem i å reflekteres tilbake til plasmaskyen og forstyrre termonukleære reaksjoner.

4. Visualisering av TAE Technologies-prosjektet

Forskere fra store anerkjente vitenskapelige institusjoner har til og med blitt forsiktige optimister i sine uttalelser. Den siste tiden har det også vært en enorm økning i interessen for kontrollerte fusjonsteknikker i privat sektor. I 2018 kunngjorde Lockheed Martin en plan for å utvikle en kompakt fusjonsreaktor (CFR) prototype innen det neste tiåret. Hvis teknologien selskapet jobber med fungerer, vil en enhet på størrelse med en lastebil kunne gi nok strøm til å dekke behovene til en enhet på 100 XNUMX kvadratmeter. byboere.

Andre selskaper og forskningssentre konkurrerer om hvem som kan bygge den første virkelige fusjonsreaktoren, inkludert TAE Technologies og Massachusetts Institute of Technology. Selv Amazons Jeff Bezos og Microsofts Bill Gates har nylig blitt involvert i fusjonsprosjekter. NBC News telte nylig sytten små fusjonsbedrifter i USA. Startups som General Fusion eller Commonwealth Fusion Systems fokuserer på mindre reaktorer basert på innovative superledere.

Konseptet med "kald fusjon" og alternativer til store reaktorer, ikke bare tokamaks, men også den såkalte. stjerners, med litt annerledes design, bygget blant annet i Tyskland. Jakten på en annen tilnærming fortsetter også. Et eksempel på dette er en enhet som heter Z-klype, bygget av forskere fra University of Washington og beskrevet i en av de siste utgavene av tidsskriftet Physics World. Z-klemmen fungerer ved å fange og komprimere plasmaet i et kraftig magnetfelt. I forsøket var det mulig å stabilisere plasmaet i 16 mikrosekunder, og fusjonsreaksjonen pågikk i omtrent en tredjedel av denne tiden. Demonstrasjonen skulle vise at småskalasyntese er mulig, selv om mange forskere fortsatt har alvorlige tvil om dette.

På sin side, takket være støtten fra Google og andre avanserte teknologiinvestorer, bruker California-selskapet TAE Technologies en annen, enn vanlig for fusjonseksperimenter, bor brenselblanding, som ble brukt til å utvikle mindre og billigere reaktorer, i første omgang for formålet med den såkalte fusjonsrakettmotoren. En prototype sylindrisk fusjonsreaktor (4) med motstråler (CBFR), som varmer opp hydrogengass for å danne to plasmaringer. De kombineres med bunter av inerte partikler og holdes i en slik tilstand, noe som bør øke energien og holdbarheten til plasmaet.

En annen fusjonsstartup General Fusion fra den kanadiske provinsen British Columbia nyter støtte fra selveste Jeff Bezos. Enkelt sagt er konseptet hans å injisere varmt plasma i en kule av flytende metall (en blanding av litium og bly) inne i en stålkule, hvoretter plasmaet komprimeres av stempler, som ligner på en dieselmotor. Trykket som skapes bør føre til fusjon, som vil frigjøre en enorm mengde energi for å drive turbinene til en ny type kraftverk. Mike Delage, teknologisjef i General Fusion, sier at kommersiell kjernefysisk fusjon kan debutere om ti år.

5. Illustrasjon fra et termonukleært patent fra US Navy.

Nylig søkte også den amerikanske marinen patent på en "plasmafusjonsenhet". Patentet snakker om magnetiske felt for å skape "akselerert vibrasjon" (5). Tanken er å bygge fusjonsreaktorer små nok til å være bærbare. Unødvendig å si ble denne patentsøknaden møtt med skepsis.