Prečo Max Planck Institute chcel variť plazmu vo svojom fúznom reaktore

Na vytvorenie vzrušenia nie je nič podobné fúznemu reaktoru. Po deviatich rokoch výstavby a 1 mld. € vedci z Max Planck Institute of Physiology Plasma Physics zorganizovali prvý horúci test fúzneho zariadenia Wendelstein 7-X 10. decembra a vytvorili hélium plazmu, ktorá trvala jednu desatinu sekundy. a dosiahol milión stupňov Celzia. Ale ešte nie ste príliš medializovaní. To bol len krok k príprave zariadenia pre jeho skutočný účel: štúdium jadrovej fúzie s vodíkovým plynom.

Dobre, teraz si čerpaná.

Fúzia je už dlho zlatým lýtkom výskumu jadrovej energie, ktorý ukazuje štiepenie jadra vo všetkých kategóriách okrem realizovateľnosti. Fúzia produkuje obrovské množstvo energie - je to koniec koncov ten istý proces, ktorý poháňa slnko. Ale jeho moc je to bolesť v zadku riešiť. Každý fúzny reaktor, ktorý bol doposiaľ postavený, spotreboval viac energie ako vyrábal. Záznam o fúznom výkone bol stanovený v roku 1997: 16 megawattov vyrobených so vstupným výkonom 24 megawattov. Ale ak sa niekto podarí obrátiť túto rovnicu okolo … Môžete povedať lacnú, bezuhlíkovú energiu?

Na rozdiel od menej sofistikovaného bratranca nevytvára fúzia žiadny rádioaktívny odpad. Cyklus dodávky vodíka je menej problematický ako cyklus dodávky uránu. Aby sme boli spravodliví, najbežnejšími zdrojmi vodíka sú dnes uhlie a zemný plyn, ale namiesto toho by sa elektrolýza mohla vyrábať vodíkom.

Štiepenie a fúzia sú podobné z dvoch hľadísk. Obaja využívajú konverziu atómov jedného prvku na atómy iného prvku a obidva boli najprv použité ako zbrane. Fat Man a Little Boy, štiepne bomby upadli v roku 1945 na Hirošimu a Nagasaki, ustúpili do roku 1952 fúznym zariadeniam ako Ivy Mike. (Hoci Ivy Mike nebol postavený ako bomba, čoskoro ho nasledovali termonukleárne hlavice, mnoho megatónov vo výnosoch, ktoré sa dali získať medzikontinentálnou raketou.)

Fúzna bomba bola z nejakého dôvodu známa ako H-bomba: bezprecedentné uvoľnenie energie pochádza z fúzie atómov vodíka. Výskumníci Fusion sa snažia využiť tento efekt pre civilnú výrobu energie. Ukázalo sa, že je to výzva. Fúzia vodíka na povrchu Zeme by vyžadovala teploty vyššie ako jeden milión stupňov Celzia. Pri týchto teplotách sa vodík a hélium stanú plazmou, štvrtou formou hmoty.

Ale čo je do pekla plazma?

Stručne povedané, plazma je ionizovaný plyn. V plazme sa rozpúšťajú všetky molekulárne väzby a elektróny zanechávajú svoje hostiteľské atómy. Plazmy sú vysoko vodivé, pretože majú vysokú hustotu nosiča náboja, t.j. elektróny a ióny sa môžu voľne pohybovať nezávisle od seba v reakcii na elektrické pole.

Hoci toto všetko znie exoticky, plazma sa v našich životoch pravidelne objavuje. Svetlo z bleskových skrutiek a neónových značiek pochádza z rekombinácií elektrónov s iónmi a klesajúcich do nižších kvantových stavov, čo je proces známy ako spontánna emisia. Niektoré plamene sú dostatočne horúce na ionizáciu výfukových plynov a plazmové horáky, plazmové obrazovky a oblúkové zváračky využívajú plazmu.

Ale všetci tí, ktorí nemajú plazmu vo fúznom reaktore nič. Pri jednom miliónoch stupňov Celzia sú atómy v fúznej polievke mimoriadne energické. Ak nie sú obsiahnuté, vypnú sa, poškodia prístroj a nedokážu sa navzájom spojiť. Bez obmedzenia by ste na prvom mieste pravdepodobne nikdy nedosiahli milión stupňov.

Uzavretie je hlavnou výzvou vo výskume jadrovej syntézy. Plazma sa musí udržiavať v uzavretom priestore a nesmie sa dotýkať stien fúznej nádoby. Netreba dodávať, že nádoba musí byť udržiavaná vo vysokom vákuu. Wendelstein 7-X používa 65 vákuových čerpadiel na udržanie tlaku na 0,000000001 milibarov. (To je 0,000001 Pascalov pre vás milencov SI.) Jediným realistickým prostriedkom na obmedzenie ionizovaného plynu pri pekelných teplotách je udržať ho v magnetickom poli. A to je miesto, kde sa veci dostávajú do ťažkostí.

Po celé roky bol najobľúbenejším návrhom fúzneho reaktora tokamak. V rokoch predtým, ako super-počítače hrali šachy, zničili ľudí na Jeopardy a zložili proteíny, vedci prišli s chytrými spôsobmi, ako vytvoriť správne tvarované magnetické pole. V tokamake prúdi elektrický prúd cez dvojice plazmy s externými elektromagnetmi na vytvorenie potrebného magnetického poľa.

Nie tak vo Wendelstein 7-X. Ochranné pole sa tu nachádza výhradne z externých supravodivých elektromagniet. Výskumný tím použil superpočítač na optimalizáciu tvaru týchto magnetov a eliminoval potrebu plazmového prúdu. Tento štýl fúzneho reaktora je známy ako stellarátor.

Zatiaľ nikto nevytvoril fúzny reaktor, ktorý by generoval viac energie, než spotrebuje. Dokonca aj Wendelstein 7-X, najväčší stelátorový reaktor na svete, bol postavený na výskumné účely, nie na výrobu energie. Ale ak chcete investovať svoje nádeje do projektu fúzie, Wendelstein 7-X je dobrým miestom na štart. Uistite sa, že aj na ITER dávate pozor na najväčší tokamak na svete.