Och sammanslagningen?

Rapporter i slutet av förra året om byggandet av en reaktor för syntes av kinesiska specialister lät sensationella (1). Kinas statliga medier rapporterade att HL-2M-anläggningen, belägen vid ett forskningscenter i Chengdu, kommer att vara i drift 2020. Tonen i mediarapporterna indikerade att frågan om tillgång till den outtömliga energin av termonukleär fusion var löst för alltid.

En närmare titt på detaljerna hjälper till att kyla optimismen.

Nowy apparat av tokamaktyp, med en mer avancerad design än de hittills kända, borde generera plasma med temperaturer över 200 miljoner grader Celsius. Detta tillkännagavs i ett pressmeddelande av chefen för Southwestern Institute of Physics vid China National Nuclear Corporation Duan Xiuru. Enheten kommer att ge teknisk support till kineserna som arbetar med projektet Internationell termonukleär experimentreaktor (ITER)samt konstruktion.

Så jag tror att det ännu inte är en energirevolution, även om det skapades av kineserna. reaktor KhL-2M så långt är lite känt. Vi vet inte vad den här reaktorns beräknade termiska effekt är eller vilka energinivåer som behövs för att driva en kärnfusionsreaktion i den. Vi vet inte det viktigaste - är den kinesiska fusionsreaktorn en design med en positiv energibalans, eller är det bara ytterligare en experimentell fusionsreaktor som tillåter en fusionsreaktion, men som samtidigt kräver mer energi för "antändning" än energi som kan erhållas till följd av reaktioner.

Internationell insats

Kina är tillsammans med Europeiska unionen, USA, Indien, Japan, Sydkorea och Ryssland medlemmar i ITER-programmet. Detta är det dyraste av de aktuella internationella forskningsprojekten som finansieras av de ovan nämnda länderna och kostar cirka 20 miljarder USD. Det öppnades som ett resultat av samarbetet mellan regeringarna i Mikhail Gorbatjov och Ronald Reagan under det kalla kriget, och många år senare inkluderades det i ett fördrag som undertecknades av alla dessa länder 2006.

2. På byggplatsen för ITER-tokamak

ITER-projektet i Cadarache i södra Frankrike (2) utvecklar världens största tokamak, det vill säga en plasmakammare som måste tämjas med hjälp av ett kraftfullt magnetfält som genereras av elektromagneter. Denna uppfinning utvecklades av Sovjetunionen på 50- och 60-talen. Projektledare, Lavan Koblenz, meddelade att organisationen borde ta emot den "första plasman" i december 2025. ITER bör stödja en termonukleär reaktion för cirka 1 tusen människor varje gång. sekunder, får styrka 500-1100 MW. Som jämförelse, den största brittiska tokamak hittills, JET (joint European torus), bibehåller en reaktion i flera tiotals sekunder och får styrka upp till 16 MW. Energin i denna reaktor kommer att frigöras i form av värme – den är inte tänkt att omvandlas till elektricitet. Att leverera fusionskraft till elnätet är uteslutet eftersom projektet endast är avsett för forskningsändamål. Det är bara på basis av ITER som den framtida generationen av termonukleära reaktorer kommer att byggas och nå makten 3-4 tusen. MW.

Den främsta anledningen till att normala fusionskraftverk fortfarande inte existerar (trots över sextio år av omfattande och kostsam forskning) är svårigheten att kontrollera och "hantera" plasmans beteende. Men år av experiment har gett många värdefulla upptäckter, och idag verkar fusionsenergi vara närmare än någonsin.

Tillsätt helium-3, rör om och värm upp

ITER är huvudfokus för global fusionsforskning, men många forskningscentra, företag och militära laboratorier arbetar också med andra fusionsprojekt som avviker från det klassiska tillvägagångssättet.

Till exempel genomfördes de senaste åren från Massachusetts Institute of Technology experiment med Helem-3 på tokamak gav spännande resultat, bl.a tiofaldig ökning av energi plasmajon. Forskare som genomför experiment på C-Mod tokamak vid Massachusetts Institute of Technology, tillsammans med specialister från Belgien och Storbritannien, har utvecklat en ny typ av termonukleärt bränsle som innehåller tre typer av joner. Team Alcator C-Mod (3) genomförde en studie tillbaka i september 2016, men data från dessa experiment har först nyligen analyserats, vilket avslöjar en enorm ökning av plasmaenergi. Resultaten var så uppmuntrande att forskarna som driver världens största operativa fusionslaboratorium, JET i Storbritannien, bestämde sig för att upprepa experimenten. Samma energiökning uppnåddes. Resultaten av studien publiceras i tidskriften Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod i drift

Nyckeln till att öka effektiviteten hos kärnbränsle var tillsatsen av spårmängder helium-3, en stabil isotop av helium, med en neutron istället för två. Kärnbränslet som användes i Alcator C-metoden innehöll tidigare bara två typer av joner, deuterium och väte. Deuterium, en stabil isotop av väte med en neutron i kärnan (till skillnad från väte utan neutroner), utgör cirka 95 % av bränslet. Forskare vid Plasma Research Center och Massachusetts Institute of Technology (PSFC) använde en process som kallas RF uppvärmning. Antennerna bredvid tokamak använder en specifik radiofrekvens för att excitera partiklarna, och vågorna är kalibrerade för att "rikta" vätejonerna. Eftersom väte utgör en liten bråkdel av bränslets totala densitet, koncentrerar endast en liten del av jonerna vid uppvärmning extrema energinivåer. Vidare passerar de stimulerade vätejonerna till de deuteriumjoner som råder i blandningen, och de partiklar som bildas på detta sätt kommer in i reaktorns yttre skal och avger värme.

Effektiviteten av denna process ökar när helium-3-joner tillsätts till blandningen i en mängd av mindre än 1%. Genom att koncentrera all radiouppvärmning på en liten mängd helium-3 höjde forskarna jonernas energi till megaelektronvolt (MeV).

Först till kvarn - först till kvarn Motsvarar på ryska: Äter sen gäst och ben

Det har skett många utvecklingar i världen av kontrollerat fusionsarbete under de senaste åren som har återuppväckt förhoppningarna hos forskare och oss alla att äntligen nå energins "heliga gral".

Goda signaler inkluderar bland annat upptäckter från Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) vid US Department of Energy (DOE). Radiovågor har använts med stor framgång för att avsevärt minska de så kallade plasmastörningarna, vilket kan vara avgörande i processen att "klä upp" termonukleära reaktioner. Samma forskargrupp rapporterade i mars 2019 ett litium-tokamak-experiment där testreaktorns innerväggar var belagda med litium, ett material som är välkänt från batterier som vanligtvis används inom elektronik. Forskarna noterade att litiumbeklädnaden på reaktorns väggar absorberar spridda plasmapartiklar, vilket hindrar dem från att reflekteras tillbaka till plasmamolnet och stör termonukleära reaktioner.

4. Visualisering av TAE Technologies-projektet

Forskare från stora välrenommerade vetenskapliga institutioner har till och med blivit försiktiga optimister i sina uttalanden. På senare tid har det också skett ett enormt ökat intresse för kontrollerade fusionstekniker inom den privata sektorn. 2018 tillkännagav Lockheed Martin en plan för att utveckla en prototyp för en kompakt fusionsreaktor (CFR) inom det kommande decenniet. Om tekniken företaget arbetar med fungerar, kommer en enhet i lastbilsstorlek att kunna ge tillräckligt med el för att möta behoven hos en enhet på 100 XNUMX kvadratmeter. stadsbor.

Andra företag och forskningscentra tävlar om vem som kan bygga den första riktiga fusionsreaktorn, inklusive TAE Technologies och Massachusetts Institute of Technology. Även Amazons Jeff Bezos och Microsofts Bill Gates har nyligen engagerat sig i fusionsprojekt. NBC News räknade nyligen sjutton små fusionsföretag i USA. Startups som General Fusion eller Commonwealth Fusion Systems fokuserar på mindre reaktorer baserade på innovativa supraledare.

Begreppet "kall fusion" och alternativ till stora reaktorer, inte bara tokamaks, men också den sk. stellaratorer, med lite annorlunda design, byggd bland annat i Tyskland. Jakten på ett annat tillvägagångssätt fortsätter också. Ett exempel på detta är en enhet som heter Z-nypa, byggd av forskare från University of Washington och beskrivs i ett av de senaste numren av tidskriften Physics World. Z-nypan fungerar genom att fånga och komprimera plasman i ett kraftfullt magnetfält. I experimentet var det möjligt att stabilisera plasman i 16 mikrosekunder, och fusionsreaktionen pågick i ungefär en tredjedel av denna tid. Demonstrationen var tänkt att visa att småskalig syntes är möjlig, även om många forskare fortfarande har allvarliga tvivel om detta.

Tack vare stödet från Google och andra avancerade teknikinvesterare använder det kaliforniska företaget TAE Technologies i sin tur ett annat än normalt för fusionsexperiment, borbränsleblandning, som användes för att utveckla mindre och billigare reaktorer, initialt för ändamålet med den så kallade fusionsraketmotorn. En prototyp cylindrisk fusionsreaktor (4) med motstrålar (CBFR), som värmer vätgas för att bilda två plasmaringar. De kombineras med buntar av inerta partiklar och hålls i ett sådant tillstånd, vilket bör öka plasmans energi och hållbarhet.

En annan fusionsstartup General Fusion från den kanadensiska provinsen British Columbia åtnjuter stöd av Jeff Bezos själv. Enkelt uttryckt är hans koncept att injicera het plasma i en kula av flytande metall (en blandning av litium och bly) inuti en stålkula, varefter plasman komprimeras av kolvar, liknande en dieselmotor. Trycket som skapas bör leda till fusion, vilket kommer att frigöra en enorm mängd energi för att driva turbinerna i en ny typ av kraftverk. Mike Delage, teknisk chef på General Fusion, säger att kommersiell kärnfusion kan debutera om tio år.

5. Illustration från ett termonukleärt patent från US Navy.

Nyligen lämnade också den amerikanska flottan in ett patent på en "plasmafusionsanordning". Patentet talar om magnetiska fält för att skapa "accelererade vibrationer" (5). Tanken är att bygga fusionsreaktorer som är tillräckligt små för att vara portabla. Det behöver inte sägas att denna patentansökan möttes av skepsis.