Ja fuusio?

Viime vuoden lopun raportit kiinalaisten asiantuntijoiden synteesireaktorin rakentamisesta kuulostivat sensaatiomaisilta (1). Kiinan valtion tiedotusvälineet kertoivat, että Chengdussa sijaitsevassa tutkimuskeskuksessa sijaitseva HL-2M-laitos otetaan käyttöön vuonna 2020. Mediaraporttien sävy osoitti, että kysymys lämpöydinfuusion ehtymättömän energian saatavuudesta oli ratkaistu ikuisesti.

Yksityiskohtien tarkempi tarkastelu auttaa jäähdyttämään optimismia.

uusi tokamak-tyyppinen laite, joiden suunnittelu on kehittyneempi kuin tähän mennessä tunnetut, pitäisi tuottaa plasmaa, jonka lämpötila on yli 200 miljoonaa celsiusastetta. Asiasta kertoi Kiinan kansallisen ydinlaitoksen Southwestern Institute of Physicsin johtaja Duan Xiuru lehdistötiedotteessa. Laite tarjoaa teknistä tukea projektin parissa työskenteleville kiinalaisille International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)samoin kuin rakentaminen.

Joten mielestäni se ei ole vielä energiavallankumous, vaikka kiinalaiset loivat sen. reaktori KhL-2M toistaiseksi tiedetään vähän. Emme tiedä, mikä on tämän reaktorin ennustettu lämpöteho tai mitä energiatasoja tarvitaan ydinfuusioreaktion suorittamiseen siinä. Emme tiedä tärkeintä - onko kiinalainen fuusioreaktori malli, jolla on positiivinen energiatase, vai onko se vain toinen kokeellinen fuusioreaktori, joka mahdollistaa fuusioreaktion, mutta vaatii samalla enemmän energiaa "sytytykseen" kuin energia, joka voidaan saada reaktioiden tuloksena.

Kansainvälinen ponnistus

Kiina, Euroopan unioni, Yhdysvallat, Intia, Japani, Etelä-Korea ja Venäjä ovat ITER-ohjelman jäseniä. Tämä on kallein nykyisistä edellä mainittujen maiden rahoittamista kansainvälisistä tutkimusprojekteista, ja se maksaa noin 20 miljardia dollaria. Se avattiin Mihail Gorbatšovin ja Ronald Reaganin hallitusten yhteistyön tuloksena kylmän sodan aikakaudella, ja monta vuotta myöhemmin se sisällytettiin kaikkien näiden maiden vuonna 2006 allekirjoittamaan sopimukseen.

2. ITER-tokamakin rakennustyömaalla

Cadarachessa Etelä-Ranskassa (2) ITER-projektissa kehitetään maailman suurinta tokamakia eli plasmakammiota, joka on kesytettävä sähkömagneettien tuottaman voimakkaan magneettikentän avulla. Tämän keksinnön kehitti Neuvostoliitto 50- ja 60-luvuilla. Projektipäällikkö, Lavan Koblenz, ilmoitti, että organisaation pitäisi saada "ensimmäinen plasma" joulukuuhun 2025 mennessä. ITERin tulisi tukea lämpöydinreaktiota noin tuhannelle ihmiselle joka kerta. sekuntia, saa voimaa 500-1100 MW. Vertailun vuoksi, suurin brittiläinen tokamak tähän mennessä, JET (yhteinen eurooppalainen torus), säilyttää reaktion useita kymmeniä sekunteja ja vahvistuu aina 16 MW. Tässä reaktorissa oleva energia vapautuu lämmön muodossa - sitä ei ole tarkoitus muuttaa sähköksi. Fuusiovoiman toimittaminen verkkoon ei tule kysymykseen, koska hanke on vain tutkimustarkoituksiin. Vain ITERin pohjalta rakennetaan tulevan sukupolven lämpöydinreaktoreita, jotka saavuttavat tehon 3-4 tuhatta MW.

Suurin syy siihen, miksi normaaleja fuusiovoimaloita ei edelleenkään ole olemassa (huolimatta yli XNUMX vuoden laajasta ja kalliista tutkimuksesta), on plasman käyttäytymisen hallinnan ja "hallinnan" vaikeus. Vuosien kokeilu on kuitenkin tuottanut monia arvokkaita löytöjä, ja nykyään fuusioenergia näyttää lähempänä kuin koskaan.

Lisää helium-3, sekoita ja kuumenna

ITER on globaalin fuusiotutkimuksen pääpainopiste, mutta monet tutkimuskeskukset, yritykset ja sotilaalliset laboratoriot työskentelevät myös muiden klassisesta lähestymistavasta poikkeavien fuusioprojektien parissa.

Esimerkiksi viime vuosina tehty Massachusetts Institute of Technologysta kokeiluja Helem-3 tokamakissa antoi jännittäviä tuloksia, mm kymmenkertaistaa energiaa plasma-ioni. Massachusetts Institute of Technologyn C-Mod-tokamakilla kokeita suorittavat tutkijat yhdessä Belgian ja Yhdistyneen kuningaskunnan asiantuntijoiden kanssa ovat kehittäneet uudentyyppisen lämpöydinpolttoaineen, joka sisältää kolmenlaisia ​​ioneja. Tiimi Alcator C-Mod (3) suoritti tutkimuksen jo syyskuussa 2016, mutta näiden kokeiden tiedot on analysoitu vasta äskettäin, mikä paljastaa plasman energian valtavan lisääntymisen. Tulokset olivat niin rohkaisevia, että maailman suurinta toimivaa fuusiolaboratoriota, JET:tä Isossa-Britanniassa johtavat tutkijat päättivät toistaa kokeet. Sama energianlisäys saavutettiin. Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Physics -lehdessä.

3. Tokamak Alcator C-Mod käytössä

Avain ydinpolttoaineen tehokkuuden lisäämiseen oli lisätä pieniä määriä helium-3:a, joka on heliumin stabiili isotooppi, yhdellä neutronilla kahden sijasta. Alcator C -menetelmässä käytetty ydinpolttoaine sisälsi aiemmin vain kahdenlaisia ​​ioneja, deuteriumia ja vetyä. Deuterium, vakaa vedyn isotooppi, jonka ytimessä on neutroni (toisin kuin vety, jossa ei ole neutroneja), muodostaa noin 95 % polttoaineesta. Plasma Research Centerin ja Massachusetts Institute of Technologyn (PSFC) tutkijat käyttivät prosessia ns. RF-lämmitys. Tokamakin vieressä olevat antennit käyttävät tiettyä radiotaajuutta hiukkasten virittämiseen, ja aallot on kalibroitu "kohdistamaan" vetyioneja. Koska vety muodostaa pienen osan polttoaineen kokonaistiheydestä, vain pienen osan ioneista keskittäminen lämmitykseen mahdollistaa äärimmäisten energiatasojen saavuttamisen. Lisäksi stimuloidut vety-ionit siirtyvät seoksessa vallitseviin deuterium-ioneihin ja näin muodostuneet hiukkaset pääsevät reaktorin ulkokuoreen vapauttaen lämpöä.

Tämän prosessin tehokkuus kasvaa, kun helium-3-ioneja lisätään seokseen alle 1 %:n määrä. Keskittämällä kaiken radiolämmityksen pieneen määrään helium-3:a, tutkijat nostivat ionien energian megaelektronivoltteihin (MeV).

Ensin tullutta palvellaan ensin Vastaava venäjäksi: myöhäisen vieraan syöminen ja luu

Hallitun fuusiotyön maailmassa on viime vuosien aikana tapahtunut monia kehityskulkuja, jotka ovat herättäneet tutkijoiden ja meidän kaikkien toiveet päästä vihdoin energian "Pyhään maljaan".

Hyviä signaaleja ovat muun muassa Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Princetonin plasmafysiikan laboratorion (PPPL) löydöt. Radioaaltoja on käytetty suurella menestyksellä vähentämään merkittävästi niin kutsuttuja plasmahäiriöitä, jotka voivat olla ratkaisevia lämpöydinreaktioiden "pukeutumisprosessissa". Sama tutkimusryhmä raportoi maaliskuussa 2019 litiumtokamak-kokeesta, jossa testireaktorin sisäseinät päällystettiin litiumilla, joka on hyvin tunnettu elektroniikassa yleisesti käytetyistä akuista. Tutkijat totesivat, että reaktorin seinämien litiumvuoraus imee hajallaan olevia plasmahiukkasia, mikä estää niitä heijastumasta takaisin plasmapilveen ja häiritsee lämpöydinreaktioita.

4. TAE Technologies -projektin visualisointi

Suurten arvostettujen tieteellisten instituutioiden tutkijoista on jopa tullut varovaisia ​​optimisteja lausunnoissaan. Viime aikoina kiinnostus kontrolloituja fuusiotekniikoita kohtaan on myös lisääntynyt valtavasti yksityisellä sektorilla. Vuonna 2018 Lockheed Martin ilmoitti suunnitelmastaan ​​kehittää kompaktin fuusioreaktorin (CFR) prototyyppi seuraavan vuosikymmenen aikana. Jos yrityksen työssä oleva tekniikka toimii, rekan kokoinen laite pystyy tuottamaan tarpeeksi sähköä 100 XNUMX neliöjalan laitteen tarpeisiin. kaupunkilaiset.

Muut yritykset ja tutkimuskeskukset kilpailevat siitä, kuka voi rakentaa ensimmäisen todellisen fuusioreaktorin, mukaan lukien TAE Technologies ja Massachusetts Institute of Technology. Jopa Amazonin Jeff Bezos ja Microsoftin Bill Gates ovat viime aikoina osallistuneet fuusioprojekteihin. NBC News laski äskettäin seitsemäntoista pientä vain fuusioyhtiötä Yhdysvalloissa. Startupit, kuten General Fusion tai Commonwealth Fusion Systems, keskittyvät pienempiin reaktoreihin, jotka perustuvat innovatiivisiin suprajohtimiin.

"Kylmäfuusion" käsite ja vaihtoehtoja suurille reaktoreille, ei vain tokamakkeja, vaan myös ns. stellaraattorit, hieman erilaisella suunnittelulla, valmistettu myös Saksassa. Myös toisenlaisen lähestymistavan etsiminen jatkuu. Esimerkki tästä on laite nimeltä Z-puristus, Washingtonin yliopiston tutkijoiden rakentama ja kuvattu yhdessä Physics World -lehden uusimmista numeroista. Z-pinch toimii vangitsemalla ja puristamalla plasmaa voimakkaassa magneettikentässä. Kokeessa oli mahdollista stabiloida plasmaa 16 mikrosekuntia, ja fuusioreaktio jatkui noin kolmanneksen tästä ajasta. Demonstroinnin piti osoittaa, että pienimuotoinen synteesi on mahdollista, vaikka monilla tiedemiehillä on edelleen vakavia epäilyksiä tästä.

Kalifornialainen TAE Technologies puolestaan ​​käyttää Googlen ja muiden edistyneiden teknologiasijoittajien tuen ansiosta fuusiokokeille tyypillistä poikkeavaa, booripolttoaineseos, joita käytettiin pienempien ja halvempien reaktorien kehittämiseen, alun perin ns. fuusiorakettimoottoria varten. Sylinterimäisen fuusioreaktorin prototyyppi (4) vastapalkilla (CBFR), joka lämmittää vetykaasua muodostaen kaksi plasmarengasta. Ne yhdistetään inerttien hiukkasten nippuihin ja pidetään sellaisessa tilassa, jonka pitäisi osaltaan lisätä plasman energiaa ja kestävyyttä.

Toinen fuusio-startup General Fusion Kanadan British Columbian maakunnasta nauttii Jeff Bezosin tuesta. Yksinkertaisesti sanottuna hänen konseptinsa on ruiskuttaa kuumaa plasmaa nestemäiseen metallipalloon (litiumin ja lyijyn seos) teräspallon sisällä, minkä jälkeen plasma puristetaan männillä, kuten dieselmoottorissa. Syntyvän paineen pitäisi johtaa fuusioon, joka vapauttaa valtavan määrän energiaa uudentyyppisen voimalaitoksen turbiineille. Mike Delage, General Fusionin teknologiajohtaja, sanoo, että kaupallinen ydinfuusio voi debyyttiä kymmenen vuoden kuluttua.

5. Kuva Yhdysvaltain laivaston lämpöydinpatentista.

Äskettäin myös Yhdysvaltain laivasto haki patentin "plasmafuusiolaitteelle". Patentti puhuu magneettikentistä "kiihdytetyn värähtelyn" luomiseksi (5). Ajatuksena on rakentaa fuusioreaktorit, jotka ovat tarpeeksi pieniä ollakseen siirrettävissä. Tarpeetonta sanoa, että tämä patenttihakemus suhtauduttiin skeptisesti.