核融合得益于更好的反应堆墙壁的里程碑

这项工程进步正在朝着未来的反应堆发展。

英格兰实验室的科学家打破了在受控,持续的融合反应中产生的能量量的记录。生产59个超过五秒钟的能量在英格兰联合的欧洲圆环 - 或喷气式飞机 -一些新闻媒体称为“突破”并在物理学家中引起了很多兴奋。但是关于融合电力生产的一条常见线是“它是”总是20年。”

我们是一个核物理学家核工程师他们研究如何开发受控核融合以发电的目的。

喷射结果在理解融合物理学方面表现出显着的进步。但同样重要的是,它表明,用于构建融合反应堆内壁的新材料按预期工作。新的墙壁结构的执行方式和所做的事实将这些结果与以前的里程碑区分开,并将磁性融合从梦想提高到现实。

融合反应器将两种形式的氢(顶部)粉碎在一起,使它们融合,产生氦气和高能电子(底部)。Wykis/Wikimediacommons

将颗粒融合在一起

核融合是将两个原子核合并为一个化合物核。然后,该核会分解并以新的原子和颗粒的形式释放能量,从而远离反应。融合发电厂将捕获逃逸的颗粒并利用其能量发电。

有一些安全控制地球上融合的不同方法。我们的研究重点是JET采用的方法 - 使用强大的磁场限制原子直到将它们加热到足够高的温度供他们融合为止。

当前和未来反应堆的燃料是两个不同的氢同位素 - 这意味着它们具有一个质子,但中子数量不同 - 称为氘和tri。正常氢在其核中有一个质子,没有中子。氘有一个质子和一个中子,而Tritium具有一个质子和两个中子。

为了使融合反应成功,燃料原子必须首先变得如此热,以使电子从核中脱离。这会产生血浆 - 阳性离子和电子的集合。然后,您需要继续加热该血浆,直到达到超过2亿华氏度(1亿摄氏度)的温度。然后,必须将此等离子体保存在高密度的限制空间中,以使其长时间燃料原子彼此碰撞并融合在一起

为了控制地球上的融合,研究人员开发了甜甜圈形设备 -称为托卡马克斯- 使用磁场包含等离子体。磁场线在甜甜圈的内部包裹着火车轨道是离子和电子跟随的。通过将能量注入血浆并将其加热,可以将燃料颗粒加速到如此高的速度,以至于当它们碰撞而不是相互弹跳时,燃料核会融合在一起。发生这种情况时,他们会释放能量,主要以快速发展的中子的形式

在融合过程中,燃料颗粒逐渐从热,致密的芯上逐渐漂移,并最终与融合容器的内壁相撞。为了防止由于这些碰撞而造成的墙壁降解(进而污染融合燃料),以使它们建造,以便它们将任性的颗粒引导到一个称为转移器的重型装甲室。这会抽出转移的颗粒并去除多余的热量以保护tokamak。

在此图中看到的Iter Fusion反应堆将结合JET的课程,但在更大,更强大的规模上。”橡树岭国家实验室,迭代托卡马克和植物系统/wikimediacommons,一个cc by

墙很重要

过去反应堆的一个主要局限性是,分流无法在恒定的粒子轰击中生存超过几秒钟。为了使融合电力在商业上工作,工程师需要建造一艘Tokamak船只,该船将在融合所需的条件下生存多年。

分离墙是第一个考虑因素。尽管燃料颗粒到达分流时凉爽得多,但它们仍然有足够的能量当原子与它发生碰撞时,原子从分流的墙壁材料松动。以前,Jet的分流有一堵墙,但是石墨吸收和陷阱过多的燃料供实际使用

2011年左右,JET的工程师将分流和内部容器墙升级到钨。钨之所以选择部分是因为它具有任何金属的最高熔点 - 当分流可能会经历热量几乎比航天飞机的鼻锥高10倍重新进入地球的大气层。Tokamak的内容器壁从石墨升级到铍。铍具有融合反应器的出色热和机械性能 - 它吸收比石墨少的燃料,但仍然可以承受高温

The energy JET produced was what made the headlines, but we’d argue it is in fact the use of the new wall materials which make the experiment truly impressive because future devices will need these more robust walls to operate at high power for even longer periods of time. JET is a successful proof of concept for how to build the next generation of fusion reactors.

在此图中看到的Iter Fusion反应堆将结合JET的课程,但在更大,更强大的规模上。”橡树岭国家实验室,迭代托卡马克和植物系统/wikimediacommons,一个cc by

下一个融合反应堆

Jet Tokamak是当前运行的最大,最先进的磁融合反应器。但是下一代反应堆已经在进行中,最著名的是ITER实验,将于2027年开始运营。伊特(Iter) - 拉丁语“道路” - 正在法国建设,并由包括美国在内的国际组织资助和指导

ITER将使用许多材料进步,这是可行的。但是也有一些关键差异。首先,迭代是巨大的。融合室是37英尺(11.4米)高和63英尺(19.4米)- 比喷气机大八倍多。此外,ITER将利用能够生产的超导磁铁更强的磁场长时间与Jet的磁铁相比。通过这些升级,ITER有望粉碎喷气式飞机的融合记录 - 无论是能量输出和反应将运行多长时间。

还期望ITER对融合动力装置的想法做一些核心:产生的能量超过加热燃料所需的能量。模型预测,ITER将连续产生约500兆瓦的功率,持续400秒,而仅消耗50兆瓦的能量来加热燃料。这意味着反应堆产生的能量是消耗的10倍- 对喷气机的巨大改进加热燃料的能量大约是产生的能量的三倍最近的59 Megajoule记录

JET最近的记录表明,多年的等离子体物理和材料科学研究已经获得了回报,并将科学家带到了利用融合到发电的门口。ITER将为朝着工业规模融合发电厂的目标提供巨大的飞跃。

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