Újabb fontos áttörés, újabb fontos rekord! Alakul a nukleáris fúzió!
Egy angliai laboratórium tudósai megdöntötték az ellenőrzött, tartós fúziós reakció során termelt energia mennyiségének rekordját. Az angliai Joint European Torus – vagy JET – kísérletben öt másodperc alatt 59 megajoule energiát termeltek, amit áttörésnek neveztek, és nagy izgalmat váltott ki a fizikusok körében. A fúziós villamosenergia-termeléssel kapcsolatban azonban az az általános vélekedés, hogy az mindig 20 év múlva lesz. Azt tanulmányozták, hogyan lehet szabályozott magfúziót kifejleszteni áramtermelés céljából.
A JET eredménye figyelemre méltó előrelépést mutat a fúzió fizikájának megértésében. De ugyanilyen fontos, hogy azt mutatja, hogy a fúziós reaktor belső falainak építéséhez használt új anyagok a tervezett módon működtek. Az a tény, hogy az új falszerkezet olyan jól működött, mint ahogyan, különbözteti meg ezeket az eredményeket a korábbi mérföldkövektől, és emeli a mágneses fúziót az álomból a valóság felé.
A magfúzió két atommag egyetlen összetett atommaggá való egyesülése. Ez az atommag ezután széttöredezik, és energiát szabadít fel új atomok és részecskék formájában, amelyek a reakcióból száguldva távoznak. Egy fúziós erőmű a kilépő részecskéket befogná, és energiájukat villamosenergia-termelésre használná fel. A fúzió biztonságos irányítására a Földön többféle módszer létezik.
A mostani JET által alkalmazott megközelítésre összpontosít – erős mágneses mezőt használnak az atomok bezárására, amíg azok elég magas hőmérsékletre nem hevülnek ahhoz, hogy összeolvadjanak. A jelenlegi és a jövőbeli reaktorok üzemanyaga a hidrogén két különböző izotópja, a deutérium és a trícium, amelyeknek egy protonjuk van, de különböző számú neutronjuk. A normál hidrogénnek egy protonja van, és nincsenek neutronok az atommagjában. A deutériumnak egy protonja és egy neutronja van, míg a tríciumnak egy protonja és két neutronja.
Ahhoz, hogy a fúziós reakció sikeres legyen, az üzemanyag atomjainak először olyan forróvá kell válniuk, hogy az elektronok kiszabaduljanak az atommagokból. Ezáltal plazma – pozitív ionok és elektronok összessége – keletkezik. Ezt a plazmát aztán tovább kell melegíteni, amíg el nem éri a 100 millió Celsius-fok feletti hőmérsékletet. Ezt a plazmát ezután egy zárt térben kell tartani nagy sűrűségben elég hosszú ideig ahhoz, hogy az üzemanyag atomjai egymásba ütközzenek és összeolvadjanak. A fúzió földi irányítására a kutatók fánk alakú berendezéseket – úgynevezett tokamakokat – fejlesztettek ki, amelyek mágneses mezőt használnak a plazma visszatartására.
A fánk belseje körül húzódó mágneses mezővonalak úgy működnek, mint a vonatsínek, amelyeket az ionok és elektronok követnek. A plazmába energiát fecskendezve és azt felmelegítve olyan nagy sebességre lehet gyorsítani az üzemanyag-részecskéket, hogy amikor összeütköznek, ahelyett, hogy egymásnak pattannának, az üzemanyag-magok összeolvadnak.
Amikor ez megtörténik, energiát szabadítanak fel, elsősorban gyorsan mozgó neutronok formájában. A fúziós folyamat során az üzemanyagrészecskék fokozatosan eltávolodnak a forró, sűrű magtól, és végül a fúziós edény belső falának ütköznek. Annak megakadályozására, hogy a falak az ilyen ütközések miatt tönkremenjenek – ami viszont a fúziós üzemanyagot is szennyezi – a reaktorokat úgy építik, hogy az útban lévő részecskéket egy erősen páncélozott kamra, a divertor felé terelik.
Ez szivattyúzza ki az eltérített részecskéket, és a tokamak védelme érdekében eltávolítja a felesleges hőt. A korábbi reaktorok egyik fő korlátja az volt, hogy a terelők néhány másodpercnél tovább nem bírják a folyamatos részecskék bombázását. Ahhoz, hogy a fúziós energia kereskedelmi forgalomban is működjön, a mérnököknek olyan tokamak edényt kell építeniük, amely a fúzióhoz szükséges körülmények között évekig is kibírja a használatot.
A terelőfal az első szempont. Bár az üzemanyagrészecskék sokkal hűvösebbek, amikor elérik a divertort, még mindig elég energiával rendelkeznek ahhoz, hogy atomokat lökjenek ki a divertor falának anyagából, amikor azzal ütköznek. Korábban a JET divertorának fala grafitból készült, de a grafit a gyakorlati felhasználáshoz túl sok üzemanyagot nyel el és zár be. 2011 körül a JET mérnökei a divertort és a belső tartály falát volfrámra cserélték. A volfrámra részben azért esett a választás, mert a fémek közül ennek a legmagasabb az olvadáspontja – ez rendkívül fontos tulajdonság, amikor a divertort valószínűleg közel tízszer nagyobb hőterhelés éri, mint a Föld légkörébe visszatérő űrsikló orrkúpját. A tokamak belső tartályfalát grafitról berilliumra fejlesztették.
A berillium kiváló termikus és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik egy fúziós reaktorban – kevesebb üzemanyagot nyel el, mint a grafit, mégis ellenáll a magas hőmérsékletnek. A JET által termelt energia volt az, ami a címlapokra került, de mi azt állítjuk, hogy valójában az új falanyagok használata az, ami igazán lenyűgözővé teszi a kísérletet, mivel a jövőbeli eszközöknek szükségük lesz ezekre a robusztusabb falakra, hogy még hosszabb ideig nagy teljesítményen működhessenek. A JET egy sikeres koncepcióbizonyítás arra vonatkozóan, hogyan lehet megépíteni a fúziós reaktorok következő generációját. A következő fúziós reaktorokA JET tokamak a jelenleg működő legnagyobb és legfejlettebb mágneses fúziós reaktor. A reaktorok következő generációja azonban már készül, leginkább az ITER kísérlet, amely 2027-ben kezdi meg működését.
(Forrás: ScienceAlert)