Nükleer füzyon, daha iyi reaktör duvarları sayesinde bir dönüm noktasına ulaştı – bu mühendislik ilerlemesi geleceğin reaktörlerine doğru ilerliyor.
İngiltere’deki bilim adamları, kontrollü, sürekli bir füzyon reaksiyonu sırasında üretilen enerji miktarı için yeni bir rekor kırdı. İngiltere’deki Ortak Avrupa Torus – veya JET – deneyinde beş saniyede 59 megajul enerji yaratılması, bazı medya kuruluşları tarafından bir “atılım” olarak adlandırıldı ve fizikçilerin ilgisini çekti. Bununla birlikte, füzyon enerjisi üretimi hakkında sık sık söylenen bir söz, “her zaman 20 yıl uzakta” olduğudur.
Biz bir nükleer fizikçi ve enerji üretimi için kontrollü nükleer füzyon geliştirmek için çalışan bir nükleer mühendisiz .
JET bulgusu, füzyon fiziğinin anlaşılmasında önemli ilerlemeyi temsil ediyor. Ancak, belki daha da önemlisi, füzyon reaktörünün iç duvarlarını oluşturmak için kullanılan yeni malzemelerin beklendiği gibi çalıştığını gösteriyor. Yeni duvar yapısının bu kadar iyi çalışması, bu bulguları geçmişteki kilometre taşlarından farklı kılıyor ve manyetik füzyonu gerçeğe yaklaştırıyor.
Füzyon reaktörleri, iki hidrojen formunu (üstte) birbirine çarparak kaynaşarak helyum ve yüksek enerjili bir elektron (altta) üretir.
Parçacıkları bir araya getirmek
Nükleer füzyon, iki atom çekirdeğinin bir bileşik çekirdeğe birleştirilmesidir. Bu çekirdek daha sonra parçalanır ve reaksiyondan uzaklaşan yeni atomlar ve parçacıklar şeklinde enerji açığa çıkarır. Bir füzyon santrali, kaçan parçacıkları yakalar ve enerjilerini elektrik üretmek için kullanır.
Dünyadaki füzyonu güvenli bir şekilde kontrol etmenin birkaç farklı yolu vardır . Araştırmamız, JET tarafından benimsenen yaklaşıma odaklanıyor. Atomları kaynaşmaları için yeterince yüksek bir sıcaklığa ısıtılana kadar sınırlamak için güçlü manyetik alanlar kullanmak.
Mevcut ve gelecekteki reaktörler için yakıt, hidrojenin iki farklı izotopudur – yani bir protona sahipler, ancak farklı sayıda nötron – döteryum ve trityum olarak adlandırılırlar . Normal hidrojenin çekirdeğinde bir proton vardır ve nötron yoktur. Döteryumda bir proton ve bir nötron bulunurken, trityumda bir proton ve iki nötron bulunur.
Bir füzyon reaksiyonunun başarılı olması için, yakıt atomlarının önce elektronların çekirdekten kopup ayrılacak kadar ısınması gerekir. Bu , pozitif iyon ve elektronların bir koleksiyonu olan plazmayı oluşturur. Daha sonra o plazmayı 200 milyon Fahrenheit (100 milyon Santigrat ) üzerinde bir sıcaklığa ulaşana kadar ısıtmaya devam etmeniz gerekir . Bu plazma daha sonra yakıt atomlarının birbiriyle çarpışması ve kaynaşması için yeterince uzun bir süre boyunca yüksek yoğunluklarda kapalı bir alanda tutulmalıdır .
Dünyadaki füzyonu kontrol etmek için araştırmacılar , plazmayı tutmak için manyetik alanlar kullanan , tokamak adı verilen halka şeklindeki cihazlar geliştirdiler . Çöreklerin iç kısmını saran manyetik alan çizgileri , iyonların ve elektronların takip ettiği tren rayları gibi davranır . Plazmaya enerji enjekte ederek ve onu ısıtarak, yakıt parçacıklarını o kadar yüksek hızlara çıkarmak mümkündür ki, çarpıştıklarında, yakıt çekirdekleri birbirinden sıçramak yerine birlikte kaynaşır. Bu olduğunda, öncelikle hızlı hareket eden nötronlar şeklinde enerji salıyorlar .
Füzyon işlemi sırasında, yakıt parçacıkları yavaş yavaş sıcak, yoğun çekirdekten uzaklaşır ve sonunda füzyon kabının iç duvarı ile çarpışır. Bu çarpışmalar nedeniyle duvarların bozulmasını önlemek için – ki bu da füzyon yakıtını da kirletir. Reaktörler, saptırıcı adı verilen ağır zırhlı bir odaya doğru yönlü parçacıkları yönlendirecek şekilde inşa edilir. Bu, yönlendirilen parçacıkları dışarı pompalar ve tokamak’ı korumak için fazla ısıyı giderir.
JET manyetik füzyon deneyi, dünyanın en büyük tokamakıdır. Kredi bilgileri: EFDA JET
duvarlar önemli
Geçmiş reaktörlerin önemli bir sınırlaması, dalgıçların sabit parçacık bombardımanına birkaç saniyeden fazla dayanamamasıydı. Füzyon gücünün ticari olarak çalışmasını sağlamak için mühendislerin, füzyon için gerekli koşullar altında yıllarca kullanımda kalacak bir tokamak gemisi inşa etmeleri gerekiyor.
Yönlendirici duvar ilk düşüncedir. Yakıt parçacıkları saptırıcıya ulaştıklarında çok daha soğuk olmalarına rağmen, saptırıcıyla çarpıştıklarında saptırıcının duvar malzemesinden atomları salmak için hala yeterli enerjiye sahiptirler . Daha önce, JET’in saptırıcısının grafitten yapılan bir duvarı vardır. Ancak grafit, pratik kullanım için yakıtı çok fazla emer ve hapseder .
2011 civarında, JET’teki mühendisler, dalgıç ve iç damar duvarlarını tungsten’e yükseltti. Tungsten, kısmen, herhangi bir metalin en yüksek erime noktasına sahip olduğu için seçildi. Saptırıcının Dünya atmosferine yeniden giren bir uzay mekiğinin burun konisinden yaklaşık 10 kat daha yüksek ısı yükleri yaşaması muhtemel olduğunda son derece önemli bir özellik . Tokamak’ın iç damar duvarı grafitten berilyuma yükseltildi. Berilyum, bir füzyon reaktörü için mükemmel termal ve mekanik özelliklere sahiptir. Grafitten daha az yakıt emer, ancak yine de yüksek sıcaklıklara dayanabilir .
JET’in ürettiği enerji manşetlere çıktı, ancak deneyi gerçekten etkileyici kılanın aslında yeni duvar malzemelerinin kullanılması olduğunu iddia edebiliriz çünkü gelecekteki cihazların daha uzun süreler boyunca yüksek güçte çalışmak için bu daha sağlam duvarlara ihtiyacı olacak. zamanın. JET, yeni nesil füzyon reaktörlerinin nasıl inşa edileceğine dair başarılı bir konsept kanıtıdır.
Burada bir şemada görülen ITER füzyon reaktörü, JET’in derslerini içerecek, ancak çok daha büyük ve daha güçlü bir ölçekte. Kredi: Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, ITER Tokamak ve Bitki Sistemleri
Bir sonraki füzyon reaktörleri
JET tokamak, şu anda çalışan en büyük ve en gelişmiş manyetik füzyon reaktörüdür. Ancak, 2027’de faaliyete geçecek olan ITER deneyi başta olmak üzere, yeni nesil reaktörler şimdiden çalışmalarda . ABD’yi içerir
ITER, JET’in uygulanabilir olduğunu gösterdiği birçok malzeme ilerlemesini kullanacak. Ama aynı zamanda bazı önemli farklılıklar da var. İlk olarak, ITER çok büyük. Füzyon odası, 37 fit (11.4 metre) yüksekliğinde ve 63 fit (19.4 metre) civarındadır – jET’ten sekiz kat daha büyüktür. Ek olarak, ITER, JET’in mıknatıslarına kıyasla daha uzun süreler boyunca daha güçlü manyetik alanlar üretebilen süper iletken mıknatıslar kullanacak . Bu yükseltmelerle, ITER’in hem enerji çıkışı hem de reaksiyonun ne kadar süreceği konusunda JET’in füzyon rekorlarını kırması bekleniyor.
ITER’in ayrıca bir füzyon santrali fikri için merkezi bir şey yapması bekleniyor. Yyakıtı ısıtmak için gerekenden daha fazla enerji üretmek. Modeller, ITER’in yakıtı ısıtmak için yalnızca 50 MW enerji tüketirken 400 saniye boyunca sürekli olarak yaklaşık 500 megavat güç üreteceğini tahmin ediyor. Bu, reaktörün tükettiğinden 10 kat daha fazla enerji ürettiği anlamına gelir – yakıtı ısıtmak için son 59 megajoule rekoru için ürettiğinden kabaca üç kat daha fazla enerji gerektiren JET’e göre büyük bir gelişme .
JET’in son kayıtları, plazma fiziği ve malzeme biliminde yıllarca süren araştırmaların meyvelerini verdiğini ve bilim adamlarını enerji üretimi için füzyondan yararlanmanın eşiğine getirdiğini gösterdi. ITER, endüstriyel ölçekli füzyon santralleri hedefine doğru büyük bir sıçrama sağlayacaktır.
