Стенки термоядерного реактора представляют собой крупный инженерный прогресс в технологии

Прочитано: 200 раз(а)


Ученые из лаборатории в Англии побили рекорд по количеству энергии, вырабатываемой во время управляемой, устойчивой реакции синтеза. Производство 59 мегаджоулей энергии за пять секунд в эксперименте Joint European Torus — или JET — в Англии было названо некоторыми новостными агентствами «прорывом» и вызвало немало волнений среди физиков. Но общая линия в отношении производства термоядерной электроэнергии заключается в том, что до этого « всегда 20 лет ».

Мы физик — ядерщик и инженер -ядерщик , изучающие, как разработать управляемый ядерный синтез для производства электроэнергии.

Стенки термоядерного реактора представляют собой крупный инженерный прогресс в технологии

Результат JET демонстрирует замечательные успехи в понимании физики термоядерного синтеза. Но что не менее важно, это показывает, что новые материалы, использованные для изготовления внутренних стенок термоядерного реактора, работали так, как предполагалось. Тот факт, что новая конструкция стены работала так же хорошо, как и раньше, отделяет эти результаты от предыдущих вех и превращает магнитный синтез из мечты в реальность.

Слияние частиц вместе

Ядерный синтез — это слияние двух атомных ядер в одно составное ядро. Затем это ядро ​​распадается и высвобождает энергию в виде новых атомов и частиц, которые ускоряются, удаляясь от реакции. Термоядерная электростанция будет улавливать улетающие частицы и использовать их энергию для выработки электроэнергии.

Есть несколько различных способов безопасного управления термоядерным синтезом на Земле . Наше исследование сосредоточено на подходе JET — использовании мощных магнитных полей для удержания атомов до тех пор, пока они не нагреются до температуры, достаточно высокой для их плавления.

Топливом для нынешних и будущих реакторов являются два разных изотопа водорода — это означает, что они имеют один протон, но разное количество нейтронов — называемые дейтерием и тритием . Обычный водород имеет в ядре один протон и не содержит нейтронов. У дейтерия один протон и один нейтрон, а у трития один протон и два нейтрона.

Чтобы реакция синтеза прошла успешно, атомы топлива должны сначала стать настолько горячими, чтобы электроны вырвались из ядер. Это создает плазму — совокупность положительных ионов и электронов. Затем вам нужно продолжать нагревать эту плазму, пока она не достигнет температуры более 200 миллионов градусов по Фаренгейту (100 миллионов по Цельсию). Затем эта плазма должна находиться в замкнутом пространстве с высокой плотностью в течение достаточно длительного периода времени, чтобы атомы топлива столкнулись друг с другом и слились воедино .

Чтобы контролировать термоядерный синтез на Земле, исследователи разработали устройства в форме пончика, называемые токамаками , которые используют магнитные поля для сдерживания плазмы. Линии магнитного поля, огибающие внутреннюю часть пончика, действуют как железнодорожные пути, по которым следуют ионы и электроны . Вводя энергию в плазму и нагревая ее, можно разогнать частицы топлива до таких высоких скоростей, что при их столкновении, а не отскоке друг от друга, ядра топлива сливаются воедино. Когда это происходит, они выделяют энергию, прежде всего в виде быстро движущихся нейтронов .

В процессе термоядерного синтеза частицы топлива постепенно удаляются от горячей и плотной активной зоны и, в конце концов, сталкиваются с внутренней стенкой термоядерного реактора. Чтобы стены не разрушались из-за этих столкновений, которые, в свою очередь, также загрязняют термоядерное топливо, реакторы построены так, что они направляют своенравные частицы в тяжело бронированную камеру, называемую дивертором. Это откачивает отведенные частицы и отводит избыточное тепло для защиты токамака.

Стены важны

Основным ограничением прошлых реакторов был тот факт, что диверторы не могли выдержать постоянную бомбардировку частицами более чем на несколько секунд. Чтобы термоядерная энергетика работала в коммерческих целях, инженерам необходимо построить судно-токамак, который выдержит годы использования в условиях, необходимых для термоядерного синтеза.

Стенки термоядерного реактора представляют собой крупный инженерный прогресс в технологии

Стенка дивертора является первым соображением. Хотя частицы топлива намного холоднее, когда они достигают дивертора, у них все же есть достаточно энергии, чтобы выбить атомы из материала стенки дивертора, когда они сталкиваются с ним. Раньше стенка дивертора JET была сделана из графита, но графит поглощает и улавливает слишком много топлива для практического использования.

Примерно в 2011 году инженеры JET модернизировали дивертор и внутренние стенки корпуса, сделав их вольфрамовыми. Вольфрам был выбран отчасти потому, что у него самая высокая температура плавления среди всех металлов — чрезвычайно важная характеристика, когда дивертор, вероятно, будет испытывать тепловые нагрузки почти в 10 раз выше, чем носовой обтекатель космического челнока , возвращающегося в атмосферу Земли. Внутренняя стенка сосуда токамака была модернизирована с графита на бериллий. Бериллий обладает отличными термическими и механическими свойствами для термоядерного реактора — он поглощает меньше топлива, чем графит, но при этом может выдерживать высокие температуры.

Энергия, произведенная JET, была тем, что попало в заголовки, но мы утверждаем, что на самом деле именно использование новых стеновых материалов делает эксперимент действительно впечатляющим, потому что будущим устройствам потребуются эти более прочные стенки для работы с высокой мощностью в течение еще более длительных периодов времени. времени. JET — это успешное доказательство концепции создания термоядерных реакторов следующего поколения.

Следующие термоядерные реакторы

Токамак JET — это самый большой и самый совершенный реактор на магнитном синтезе, работающий в настоящее время. Но реакторы следующего поколения уже находятся в разработке, в первую очередь эксперимент ИТЭР , который должен начать работу в 2027 году. ИТЭР, что в переводе с латыни означает «путь», строится во Франции и финансируется и управляется международной организацией, которая включает США

ИТЭР собирается использовать многие из достижений JET в области материалов, которые доказали свою жизнеспособность. Но есть и некоторые ключевые отличия. Во-первых, ИТЭР огромен. Термоядерная камера имеет высоту 37 футов (11,4 метра) и диаметр 63 фута (19,4 метра) — более чем в восемь раз больше, чем JET. Кроме того, в ITER будут использоваться сверхпроводящие магниты, способные создавать более сильные магнитные поля в течение более длительных периодов времени по сравнению с магнитами JET. Ожидается, что благодаря этим модернизациям ИТЭР побьет рекорды термоядерного синтеза JET — как по выходу энергии, так и по продолжительности реакции.

Также ожидается, что ИТЭР сделает что-то важное для идеи термоядерной электростанции: будет производить больше энергии, чем требуется для нагрева топлива. Модели предсказывают, что ИТЭР будет производить около 500 мегаватт энергии непрерывно в течение 400 секунд, при этом потребляя всего 50 МВт энергии для нагрева топлива. Это означает, что реактор производил в 10 раз больше энергии, чем потреблял — огромное улучшение по сравнению с JET, которому требовалось примерно в три раза больше энергии для нагрева топлива, чем он производил для своего недавнего рекорда в 59 мегаджоулей .

Недавние результаты JET показали, что годы исследований в области физики плазмы и материаловедения окупились и привели ученых к порогу использования термоядерного синтеза для производства электроэнергии. ИТЭР станет огромным шагом вперед к созданию термоядерных электростанций промышленного масштаба.

Стенки термоядерного реактора представляют собой крупный инженерный прогресс в технологии



Новости партнеров