Hvorfor Max Planck Institute ønskede at lave op plasma i sin fusion reaktor

Der er ikke noget som en fusionsreaktor for at generere spænding. Efter ni års konstruktion og 1 mia. Euro fyrede forskere fra Max Planck Institute of Plasma Physics den første hot-test af Wendelstein 7-X fusionsenheden den 10. december og genererede et heliumplasma, der varede i en tiendedel af et sekund og nåede en million grader celsius. Men få ikke for hyped lige endnu. Dette var kun et skridt i retning af at forberede enheden til dets sande formål: at studere atomfusion med hydrogengas.

Okay, nu bliver du pumpet.

Fusion har længe været den gyldne kaliber for atomenergi forskning, der viser atomfission i alle kategorier undtagen gennemførlighed. Fusion producerer en kolossal mængde energi - det er jo den samme proces, der styrker solen. Men dens meget magt gør det til en smerte i røvet at håndtere. Hver fusionsreaktor bygget indtil videre forbruges mere strøm end den producerede. Rekordet for fusionskraft blev sat i 1997: 16 megawatt produceret med en indgangseffekt på 24 megawatt. Men hvis nogen formår at vende den ligning rundt … Kan du sige billig, kulstoffri energi?

I modsætning til sin mindre sofistikerede fætter producerer fusion ingen radioaktivt affald. Brintforsyningscyklusen er mindre problematisk end uranforsyningscyklusen. For at være retfærdige er de mest almindelige kilder til hydrogen i dag kul og naturgas, men hydrogen kan i stedet fremstilles ved elektrolyse.

Fission og fusion er ens i to henseender. Begge udnytter omdannelsen af ​​atomer af et element til atomer af et andet element, og begge blev først brugt som våben. Fat Man og Little Boy, fission bomber faldt på Hiroshima og Nagasaki i 1945, gav i 1952 til fusion enheder som Ivy Mike. (Selvom Ivy Mike ikke blev bygget som en bombe, blev det snart efterfulgt af termonukleære warheads mange megatoner i udbytte alle leverbare af interkontinental missil.)

Fusionsbomben var kendt som en H-bombe af en grund: Den hidtil usete frigivelse af energi stammer fra fusion af hydrogenatomer. Fusionsforskere søger at udnytte denne effekt til civil kraftproduktion. Vises det er en udfordring. Hydrogenfusion på jordens overflade ville kræve temperaturer på over en million grader Celsius. Ved disse temperaturer bliver hydrogen og helium et plasma, den fjerde form for stof.

Men hvad i helvede er et plasma, alligevel?

Kort sagt er et plasma en ioniseret gas. I et plasma opløses alle molekylære bindinger, og elektroner forlade deres værtsatomer. Plasmaer er yderst ledende, fordi de har en høj ladningsbærertæthed, dvs. elektronerne og ionerne er fri til at bevæge sig uafhængigt af hinanden som svar på et elektrisk felt.

Selv om dette hele lyder eksotisk, gør plasmaer regelmæssige udseende i vores liv. Lyset fra lynbolte og neonskilte kommer fra elektroner, som rekombinerer med ioner og synker til lavere kvantetilstande, en proces kendt som spontan emission. Nogle flammer er varme nok til at ionisere udstødningsgasser, og plasmabrænder, plasmaskærme og lysbuesvejsere bruger alle plasmaer.

Men alle har intet på plasmaet i en fusionsreaktor. Ved en million grader Celsius er atomerne i fusionsuppe ekstremt energiske. Hvis de ikke er indeholdt, vil de udstråle, beskadige apparatet og undlade at smelte sammen med hinanden. Uden indeslutning vil du sandsynligvis aldrig nå en million grader i første omgang.

Indeslutning er det stor udfordring inden for fusionsforskning. Plasmaet skal opbevares i et begrænset rum og må ikke berøre fusionsbeholderens vægge. Det er overflødigt at sige, at fartøjet skal holdes i højvakuum. Wendelstein 7-X bruger 65 vakuumpumper til at holde trykket ved 0.000000001 millibarer. (Det er 0.000001 Pascals for dig SI elskere.) Det eneste realistiske middel til at begrænse en ioniseret gas ved fugtige temperaturer er at holde den i et magnetfelt. Og det er her, hvor tingene bliver virkelig vanskelige.

I mange år var det mest populære fusionsreaktor design tokamak. I år før supercomputere spillede skak, spildte mennesker ved Jeopardy og foldede proteiner, kom videnskabsmænd med kloge måder at producere det korrekt formede magnetfelt. I en tokamak løber en elektrisk strøm igennem plasmaparene med eksterne elektromagneter for at skabe det nødvendige magnetfelt.

Ikke så i Wendelstein 7-X. Her kommer indeslutningsfeltet udelukkende fra eksterne superledende elektromagneter. Forskergruppen brugte en supercomputer til at optimere formen af ​​disse magneter og eliminere behovet for en plasmastrøm. Denne stil af fusionsreaktor er kendt som en stellarator.

Indtil nu har ingen bygget en fusionsreaktor, som genererer mere energi end den forbruger. Selv Wendelstein 7-X, den største stellarator-type reaktor i verden, blev bygget til forskningsformål, ikke at generere energi. Men hvis du ønsker at investere dine forhåbninger i et fusionsprojekt, er Wendelstein 7-X et godt sted at starte. Sørg for at holde øje med, at ITER også er verdens største tokamak.