Kernfusie is het proces dat de zon en alle andere sterren aandrijft. Tijdens fusie, de kernen van twee atomen zijn dicht genoeg bij elkaar gebracht dat ze samensmelten, enorme hoeveelheden energie vrijmaken.

Het repliceren van dit proces op aarde heeft het potentieel om bijna onbeperkte elektriciteit te leveren met vrijwel geen koolstofemissies en meer veiligheid, en zonder hetzelfde niveau van kernafval als splijting.

Maar het bouwen van wat in wezen een minister op aarde is en het bij elkaar houden in een reactor is geen gemakkelijke taak. Het vereist enorme temperaturen en drukken en extreem sterke magnetische velden.

Op dit moment hebben we niet echt materialen die deze extremen kunnen weerstaan. Maar onderzoekers zoals ik werken eraan om ze te ontwikkelen, en we hebben onderweg een aantal spannende dingen gevonden.

Tokamaks

Er zijn veel manieren om kernfusiereacties op aarde in te dammen, maar de meest voorkomende maakt gebruik van een donutvormig apparaat dat een tokamak wordt genoemd. In de tokamak, de brandstoffen voor de reactie - isotopen van waterstof genaamd deuterium en tritium - worden verwarmd totdat ze een plasma worden. Een plasma is wanneer de elektronen in de atomen genoeg energie hebben om aan de kernen te ontsnappen en rond te zweven. Omdat het bestaat uit elektrisch geladen deeltjes, in tegenstelling tot een normaal gas, het kan zich in een magnetisch veld bevinden. Dit betekent dat het de zijkanten van de reactor niet raakt - in plaats daarvan, het drijft in het midden in de vorm van een donut.

Wanneer deuterium en tritium voldoende energie hebben, smelten ze samen, helium maken, neutronen en het vrijgeven van energie. Het plasma moet temperaturen van 100 miljoen graden Celsius bereiken om grote hoeveelheden fusie te laten plaatsvinden - tien keer heter dan het centrum van de zon. Het moet veel heter zijn omdat de zon een veel hogere deeltjesdichtheid heeft.

Hoewel het meestal in een magnetisch veld zit, de reactor moet nog steeds bestand zijn tegen enorme temperaturen. bij Iter, 's werelds grootste fusie-experiment, zal naar verwachting in 2035 worden gebouwd, het heetste deel van de machine zou ongeveer 1 bereiken 300℃.

Hoewel het plasma zich meestal in een magnetisch veld zal bevinden, er zijn momenten waarop het plasma tegen de wanden van de reactor kan botsen. Dit kan leiden tot erosie, brandstof die in de wanden wordt geïmplanteerd en wijzigingen in de materiaaleigenschappen.

Bovenop de extreme temperaturen, we moeten ook rekening houden met de bijproducten van de fusiereactie van deuterium en tritium, zoals neutronen met extreem hoge energie. Neutronen hebben geen lading en kunnen dus niet worden ingesloten door het magnetische veld. Dit betekent dat ze tegen de wanden van de reactor stoten, schade aanrichten.

De doorbraken

Al deze ongelooflijk complexe uitdagingen hebben in de loop der jaren bijgedragen tot enorme vooruitgang in materialen. Een van de meest opvallende zijn supergeleidende magneten op hoge temperatuur, die worden gebruikt door verschillende fusieprojecten. Deze gedragen zich als supergeleiders bij temperaturen onder het kookpunt van vloeibare stikstof. Hoewel dit koud klinkt, het is hoog in vergelijking met de veel koudere temperaturen die andere supergeleiders nodig hebben.

bij fusie, deze magneten zijn slechts enkele meters verwijderd van de hoge temperaturen in de tokamak, waardoor een enorm grote temperatuurgradiënt ontstaat. Deze magneten hebben het potentieel om veel sterkere magnetische velden te genereren dan conventionele supergeleiders, die de omvang van een fusiereactor drastisch kan verkleinen en de ontwikkeling van commerciële fusie kan versnellen.

We hebben een aantal materialen die zijn ontworpen om de verschillende uitdagingen aan te gaan die we hen in een fusiereactor stellen. De koplopers op dit moment zijn gereduceerde activeringsstaalsoorten, die een andere samenstelling hebben dan traditionele staalsoorten, zodat de activeringsniveaus door neutronenschade worden verminderd, en wolfraam.

Een van de coolste dingen in de wetenschap is dat iets dat aanvankelijk als een potentieel probleem wordt gezien, kan veranderen in iets positiefs. Fusie vormt hierop geen uitzondering, en een zeer niche maar opmerkelijk voorbeeld is het geval van tungsten fuzz. Fuzz is een nanostructuur die zich vormt op wolfraam bij blootstelling aan heliumplasma tijdens fusie-experimenten. Aanvankelijk beschouwd als een potentieel probleem vanwege de angst voor erosie, er is nu onderzoek naar niet-fusietoepassingen, inclusief het splitsen van zonnewater - het opsplitsen in waterstof en zuurstof.

Echter, geen enkel materiaal is perfect, en er zijn nog een aantal problemen. Deze omvatten de vervaardiging van materialen met verminderde activering op grote schaal en de intrinsieke brosheid van wolfraam, wat het een uitdaging maakt om mee te werken. We moeten de bestaande materialen die we hebben, verbeteren en verfijnen.

De uitdagingen

Ondanks de enorme vooruitgang op het gebied van materialen voor fusie, er is nog veel werk aan de winkel. Het belangrijkste probleem is dat we vertrouwen op verschillende proxy-experimenten om potentiële reactoromstandigheden te recreëren. en moet proberen deze gegevens aan elkaar te naaien, vaak met zeer kleine steekproeven. Gedetailleerd modelleringswerk helpt om voorspellingen van materiaalprestaties te extrapoleren. Het zou veel beter zijn als we onze materialen in echte situaties zouden kunnen testen.

De pandemie heeft een grote impact gehad op het materiaalonderzoek omdat het moeilijker is om experimenten in het echte leven uit te voeren. Het is echt belangrijk dat we geavanceerde modellen blijven ontwikkelen en gebruiken om materiaalprestaties te voorspellen. Dit kan worden gecombineerd met vooruitgang in machine learning, om de belangrijkste experimenten te identificeren waarop we ons moeten concentreren en de beste materialen voor de taak in toekomstige reactoren te identificeren.

De productie van nieuwe materialen is meestal in kleine batches, alleen gericht op het produceren van voldoende materialen voor experimenten. Vooruit gaan, meer bedrijven zullen blijven werken aan fusie en er zullen meer programma's zijn die werken aan experimentele reactoren of prototypes.

Daarom, we komen op het punt dat we meer moeten nadenken over industrialisatie en ontwikkeling van toeleveringsketens. Naarmate we dichter bij prototypereactoren en hopelijk in de toekomst energiecentrales komen, het ontwikkelen van robuuste grootschalige toeleveringsketens zal een enorme uitdaging zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.