Dlaczego Instytut Maxa Plancka chciał ugotować plazmę w swoim reaktorze fuzyjnym

Nie ma nic podobnego do reaktora termojądrowego do generowania emocji. Po dziewięciu latach budowy i 1 mld euro naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy Maxa Plancka rozpoczęli pierwszy gorący test urządzenia fuzyjnego Wendelstein 7-X 10 grudnia i wygenerowali plazmę helu, która trwała jedną dziesiątą sekundy i osiągnął milion stopni Celsjusza. Ale jeszcze nie daj się zahipnotyzować. To był tylko krok w kierunku przygotowania urządzenia do jego prawdziwego celu: zbadania fuzji jądrowej z gazowym wodorem.

Dobra, teraz jesteś pompowany.

Fuzja od dawna jest złotym cielcem badań nad energią jądrową, pokazując rozszczepienie jądrowe we wszystkich kategoriach z wyjątkiem wykonalności. Fuzja wytwarza kolosalną ilość energii - w końcu jest to ten sam proces, który zasila słońce. Ale jego moc sprawia, że ​​ból w dupie się zadaje. Każdy zbudowany do tej pory reaktor syntezy jądrowej zużywał więcej energii niż produkował. Rekord mocy syntezy jądrowej ustalono w 1997 r.: 16 megawatów wyprodukowanych przy mocy wejściowej 24 megawatów. Ale jeśli komuś uda się obrócić to równanie… Czy możecie powiedzieć, że jest tania, bezemisyjna energia?

W przeciwieństwie do mniej wyrafinowanego kuzyna, synteza jądrowa nie wytwarza odpadów radioaktywnych. Cykl dostaw wodoru jest mniej problematyczny niż cykl dostaw uranu. Aby być uczciwym, najbardziej powszechnymi źródłami wodoru są dziś węgiel i gaz ziemny, ale zamiast tego wodór może być wytwarzany przez elektrolizę.

Rozszczepienie i fuzja są podobne pod dwoma względami. Oba wykorzystują konwersję atomów jednego pierwiastka na atomy innego pierwiastka i oba zostały po raz pierwszy użyte jako broń. Fat Man i Little Boy, bomby rozszczepieniowe zrzucone na Hiroszimę i Nagasaki w 1945 r., Ustąpiły w 1952 r. Urządzeniom fuzyjnym takim jak Ivy Mike. (Chociaż Ivy Mike nie został zbudowany jako bomba, wkrótce po nim pojawiły się głowice termojądrowe, wiele megatonów w plonie, wszystkie dostarczane przez pociski międzykontynentalne.)

Bomba termojądrowa była znana z powodu bomby atomowej H: bezprecedensowe uwolnienie energii pochodziło z fuzji atomów wodoru. Naukowcy zajmujący się syntezą jądrową starają się wykorzystać ten efekt w cywilnym wytwarzaniu energii. Okazuje się, że to wyzwanie. Fuzja wodoru na powierzchni Ziemi wymagałaby temperatur przekraczających milion stopni Celsjusza. W tych temperaturach wodór i hel stają się plazmą, czwartą formą materii.

Ale co, do diabła, jest plazma?

W skrócie, plazma jest zjonizowanym gazem. W plazmie wszystkie wiązania molekularne rozpuszczają się, a elektrony opuszczają atomy gospodarza. Plazma jest wysoce przewodząca, ponieważ mają wysoką gęstość nośnika ładunku, tj. Elektrony i jony mogą swobodnie poruszać się niezależnie od siebie w odpowiedzi na pole elektryczne.

Chociaż wszystko to brzmi egzotycznie, plazmy regularnie pojawiają się w naszym życiu. Światło piorunów i neonów pochodzi z elektronów rekombinujących z jonami i tonących do niższych stanów kwantowych, proces znany jako emisja spontaniczna. Niektóre płomienie są wystarczająco gorące, aby jonizować spaliny, a palniki plazmowe, ekrany plazmowe i spawarki łukowe wykorzystują plazmę.

Ale wszyscy ci nie mają nic na plazmie w reaktorze fuzyjnym. W milionie stopni Celsjusza atomy w zupie fuzyjnej są niezwykle energetyczne. Jeśli nie zostaną zawarte, odlecą, uszkodzą aparat i nie będą się ze sobą łączyć. Bez obudowy prawdopodobnie nigdy nie osiągniesz miliona stopni.

Ograniczenie jest główne wyzwanie w badaniach nad syntezą jądrową. Plazma musi być trzymana w zamkniętej przestrzeni i nie może dotykać ścian naczynia syntezy jądrowej. Nie trzeba dodawać, że naczynie musi być utrzymywane w wysokiej próżni. Wendelstein 7-X wykorzystuje 65 pomp próżniowych do utrzymania ciśnienia na poziomie 0,000000001 milibarów. (To 0,000001 Pascala dla miłośników układu SI.) Jedynym realistycznym sposobem na ograniczenie zjonizowanego gazu w piekielnych temperaturach jest trzymanie go w polu magnetycznym. I tu wszystko staje się naprawdę trudne.

Od lat najpopularniejszym projektem reaktora termojądrowego był tokamak. W latach, zanim superkomputery grały w szachy, niszczyły ludzi w Jeopardy i składały białka, naukowcy wymyślili sprytne sposoby wytwarzania prawidłowo ukształtowanego pola magnetycznego. W tokamaku prąd elektryczny przepływający przez pary plazmy z zewnętrznymi elektromagnesami tworzy niezbędne pole magnetyczne.

Nie tak w Wendelstein 7-X. W tym przypadku pole bezpieczeństwa pochodzi wyłącznie z zewnętrznych elektromagnesów nadprzewodzących. Zespół badawczy wykorzystał superkomputer, aby zoptymalizować kształt tych magnesów i wyeliminować potrzebę prądu plazmowego. Ten styl reaktora syntezy jądrowej jest znany jako stellarator.

Jak dotąd nikt nie zbudował reaktora termojądrowego, który generuje więcej energii niż zużywa. Nawet Wendelstein 7-X, największy reaktor typu Stellarator na świecie, został zbudowany do celów badawczych, a nie do wytwarzania energii. Ale jeśli chcesz zainwestować swoje nadzieje w projekt fuzji, Wendelstein 7-X jest dobrym miejscem do rozpoczęcia. Upewnij się również, że masz oko na ITER, aby stać się największym tokamakiem na świecie.