Wetenschappers van een laboratorium in Engeland hebben het record verbroken voor de hoeveelheid energie die wordt geproduceerd tijdens een gecontroleerde, aanhoudende fusiereactie. De productie van 59 megajoule energie gedurende vijf seconden bij het Joint European Torus-of JET-experiment in Engeland wordt door sommige nieuwszenders "een doorbraak" genoemd en veroorzaakte heel wat opwinding onder natuurkundigen. Maar een algemene lijn met betrekking tot de productie van fusie-elektriciteit is dat het "altijd 20 jaar verwijderd is".

Wij zijn een kernfysicus en een nucleair ingenieur die bestuderen hoe we gecontroleerde kernfusie kunnen ontwikkelen om elektriciteit op te wekken.

Het JET-resultaat toont opmerkelijke vooruitgang in het begrip van de fysica van kernfusie. Maar net zo belangrijk is dat het laat zien dat de nieuwe materialen die zijn gebruikt om de binnenwanden van de fusiereactor te bouwen, hebben gewerkt zoals bedoeld. Het feit dat de nieuwe muurconstructie zo goed presteerde als hij deed, onderscheidt deze resultaten van eerdere mijlpalen en verheft magnetische fusie van een droom naar een realiteit.

Deeltjes samensmelten

Kernfusie is het samensmelten van twee atoomkernen tot één samengestelde kern. Deze kern breekt dan uit elkaar en geeft energie vrij in de vorm van nieuwe atomen en deeltjes die wegsnellen van de reactie. Een fusiecentrale zou de ontsnappende deeltjes opvangen en hun energie gebruiken om elektriciteit op te wekken.

Er zijn een paar verschillende manieren om fusie op aarde veilig te beheersen. Ons onderzoek richt zich op de benadering van JET:krachtige magnetische velden gebruiken om atomen op te sluiten totdat ze zijn verwarmd tot een temperatuur die hoog genoeg is om te fuseren.

De brandstof voor huidige en toekomstige reactoren zijn twee verschillende isotopen van waterstof - wat betekent dat ze het ene proton hebben, maar verschillende aantallen neutronen - deuterium en tritium genaamd. Normale waterstof heeft één proton en geen neutronen in de kern. Deuterium heeft één proton en één neutron, terwijl tritium één proton en twee neutronen heeft.

Om een ​​fusiereactie te laten slagen, moeten de brandstofatomen eerst zo heet worden dat de elektronen loskomen van de kernen. Hierdoor ontstaat plasma - een verzameling positieve ionen en elektronen. Je moet dat plasma dan blijven verwarmen totdat het een temperatuur van meer dan 200 miljoen graden Fahrenheit (100 miljoen Celsius) bereikt. Dit plasma moet dan zo lang in een besloten ruimte met hoge dichtheden worden bewaard dat de brandstofatomen tegen elkaar kunnen botsen en samensmelten.

Om fusie op aarde te beheersen, ontwikkelden onderzoekers donutvormige apparaten - tokamaks genaamd - die magnetische velden gebruiken om het plasma te bevatten. Magnetische veldlijnen die zich om de binnenkant van de donut wikkelen, werken als treinsporen die de ionen en elektronen volgen. Door energie in het plasma te injecteren en op te warmen, is het mogelijk om de brandstofdeeltjes te versnellen tot zulke hoge snelheden dat wanneer ze botsen, in plaats van op elkaar te stuiteren, de brandstofkernen samensmelten. Wanneer dit gebeurt, geven ze energie vrij, voornamelijk in de vorm van snel bewegende neutronen.

Tijdens het fusieproces drijven brandstofdeeltjes geleidelijk weg van de hete, dichte kern en botsen ze uiteindelijk op de binnenwand van het fusievat. Om te voorkomen dat de muren verslechteren als gevolg van deze botsingen - die op hun beurt ook de fusiebrandstof vervuilen - zijn reactoren gebouwd zodat ze de eigenzinnige deeltjes naar een zwaar gepantserde kamer, de divertor, kanaliseren. Dit pompt de omgeleide deeltjes weg en verwijdert overtollige warmte om de tokamak te beschermen.

De muren zijn belangrijk

Een belangrijke beperking van eerdere reactoren was het feit dat divertors het constante deeltjesbombardement niet langer dan een paar seconden kunnen overleven. Om fusie-energie commercieel te laten werken, moeten ingenieurs een tokamak-vat bouwen dat jarenlang kan overleven onder de omstandigheden die nodig zijn voor fusie.

De divertormuur is de eerste overweging. Hoewel de brandstofdeeltjes veel koeler zijn wanneer ze de divertor bereiken, hebben ze nog steeds genoeg energie om atomen los te slaan van het wandmateriaal van de divertor wanneer ze ermee in botsing komen. Voorheen had de omleider van JET een wand van grafiet, maar grafiet absorbeert en vangt te veel brandstof op voor praktisch gebruik.

Rond 2011 hebben ingenieurs van JET de divertor en de binnenwanden van het vat geüpgraded naar wolfraam. Wolfraam werd gedeeltelijk gekozen omdat het het hoogste smeltpunt heeft van alle metalen - een uiterst belangrijke eigenschap wanneer de divertor waarschijnlijk een warmtebelasting ervaart die bijna 10 keer hoger is dan de neuskegel van een spaceshuttle die de atmosfeer van de aarde binnenkomt. De binnenste vaatwand van de tokamak werd opgewaardeerd van grafiet naar beryllium. Beryllium heeft uitstekende thermische en mechanische eigenschappen voor een fusiereactor:het absorbeert minder brandstof dan grafiet, maar is nog steeds bestand tegen de hoge temperaturen.

De energie die JET produceerde was wat de krantenkoppen haalde, maar we zouden zeggen dat het in feite het gebruik van de nieuwe muurmaterialen is die het experiment echt indrukwekkend maakt, omdat toekomstige apparaten deze robuustere muren nodig zullen hebben om nog langere periodes op hoog vermogen te kunnen werken van tijd. JET is een succesvolle proof of concept voor het bouwen van de volgende generatie fusiereactoren.

De volgende fusiereactoren

De JET-tokamak is de grootste en meest geavanceerde magnetische fusiereactor die momenteel in bedrijf is. Maar de volgende generatie reactoren is al in de maak, met name het ITER-experiment, dat in 2027 van start zal gaan. ITER - wat Latijn is voor "de weg" - is in aanbouw in Frankrijk en wordt gefinancierd en geleid door een internationale organisatie die omvat de V.S.

ITER gaat veel van de materiële vooruitgang gebruiken waarvan JET heeft aangetoond dat deze levensvatbaar is. Maar er zijn ook enkele belangrijke verschillen. Ten eerste is ITER enorm. De fusiekamer is 37 voet (11,4 meter) lang en 63 voet (19,4 meter) rond - meer dan acht keer groter dan JET. Bovendien zal ITER gebruik maken van supergeleidende magneten die in staat zijn om gedurende langere tijd sterkere magnetische velden te produceren in vergelijking met de magneten van JET. Met deze upgrades zal ITER naar verwachting de fusierecords van JET verbreken, zowel wat betreft energie-output als hoe lang de reactie zal duren.

Van ITER wordt ook verwacht dat het iets doet dat centraal staat in het idee van een fusiecentrale:meer energie produceren dan nodig is om de brandstof te verwarmen. Modellen voorspellen dat ITER gedurende 400 seconden continu ongeveer 500 megawatt vermogen zal produceren, terwijl het slechts 50 MW aan energie verbruikt om de brandstof te verwarmen. Dit betekende dat de reactor 10 keer meer energie produceerde dan hij verbruikte - een enorme verbetering ten opzichte van JET, die ongeveer drie keer meer energie nodig had om de brandstof te verwarmen dan hij produceerde voor zijn recente record van 59 megajoule.

JET's recente record heeft aangetoond dat jaren van onderzoek in plasmafysica en materiaalwetenschap zijn vruchten hebben afgeworpen en wetenschappers naar de drempel hebben gebracht om fusie te gebruiken voor energieopwekking. ITER zal een enorme sprong voorwaarts zijn in de richting van het doel van fusie-energiecentrales op industriële schaal. + Verder verkennen

Fusiefaciliteit vestigt een nieuw wereldenergierecord

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