Зашто је Институт Мак Планцк желио да кува плазму у свом фузионом реактору

Нема ништа слично као фузиони реактор за генерисање узбуђења. Након девет година изградње и милијарду евра, научници са Мак Планцк Института за плазма физику су 10. децембра покренули први врући тест уређаја Венделстеин 7-Кс фузије и генерисали плазму хелија која је трајала десетину секунде и достигао милион степени Целзијуса. Али још увек немојте бити претерано збркани. Ово је био само корак ка припреми уређаја за његову праву сврху: проучавање нуклеарне фузије са гасом водоником.

Ок, сад сте напумпани.

Фузија је дуго била златно теле за истраживања нуклеарне енергије, показујући нуклеарну фисију у свим категоријама осим изводљивости. Фузија производи огромну количину енергије - то је, на крају крајева, исти процес који покреће сунце. Али његова моћ чини бол у гузици. Сваки до сада изграђени фузиони реактор трошио је више енергије него што је производио. Рекордна снага фузије постављена је 1997. године: 16 мегавата произведено са улазном снагом од 24 мегавата. Али ако неко успе да окрене ту једначину … Можете ли рећи јефтину енергију без угљеника?

За разлику од мање софистицираног рођака, фузија не производи радиоактивни отпад. Циклус довода водоника је мање проблематичан од циклуса снабдијевања ураном. Да будемо фер, данас су најчешћи извори водоника угаљ и природни гас, али водоник би могао бити произведен електролизом.

Фисија и фузија су сличне у два аспекта. Обоје користе претварање атома једног елемента у атоме другог елемента, и оба су прво кориштена као оружје. Дебели човек и мали дечак, фисијске бомбе које су пале на Хирошиму и Нагасаки 1945. године, дале су 1952. године фузионим уређајима као што је Иви Мике. (Иако Иви Мике није била изграђена као бомба, убрзо је услиједила термонуклеарна бојевна глава која је имала велики број мегатона у приносу свих интерконтиненталних пројектила.)

Фузиона бомба била је позната као Х-бомба из неког разлога: Невиђено ослобађање енергије дошло је од фузије атома водоника. Истраживачи фузије настоје да искористе овај ефекат за цивилну производњу енергије. Испоставило се да је ово изазов. Фузија водоника на површини Земље захтијевала би температуре веће од милијун ступњева Целзијуса. На овим температурама, водоник и хелијум постају плазма, четврта форма материје.

Али шта је, доврага, плазма?

Укратко, плазма је ионизовани гас. У плазми се све молекуларне везе растварају и електрони напуштају своје атоме домаћине. Плазме су високо проводне јер имају високу густину носиоца наелектрисања, тј. Електрони и иони су слободни да се крећу независно један од другог као одговор на електрично поље.

Иако све ово звучи егзотично, плазме се редовно појављују у нашим животима. Светлост муња и неонских знакова долази од електрона који се рекомбинују са јонима и тоне у ниже квантне стања, процес познат као спонтана емисија. Неки пламенови су довољно врући да ионизују издувне гасове, а плазма-пламеници, плазма екрани и лук заваривачи све користе плазму.

Али сви они немају ништа на плазми у фузионом реактору. На милион степени Целзијуса, атоми у фузионој супи су изузетно енергични. Ако нису затворени, отпуштају се, оштећују уређај и не спајају се међусобно. Без ограничења, вероватно никада не би достигли милион степени.

Задржавање је тхе велики изазов у ​​истраживању фузије. Плазма се мора држати у затвореном простору и не смије дирати зидове фузијске посуде. Непотребно је рећи да се посуда мора држати у високом вакууму. Венделстеин 7-Кс користи 65 вакуумских пумпи за одржавање притиска на 0.000000001 милибара. (То је 0.000001 Паскала за вас љубитеље СИ.) Једини реалан начин да се ограничи ионизовани гас на пакленим температурама је да га држите у магнетном пољу. И овде ствари постају заиста компликоване.

Годинама је најпопуларнији дизајн фузионог реактора био токамак. У годинама пре него што су супер-компјутери играли шах, уништили људе у Јеопарди-ју и пресавили протеине, научници су дошли до паметних начина да произведу правилно обликовано магнетно поље. У токамаку, електрична струја која пролази кроз парове плазме са спољним електромагнетима ствара неопходно магнетно поље.

Не у Венделстеину 7-Кс. Овде, поље за задржавање долази искључиво од спољних суперпроводних електромагнета. Истраживачки тим је користио суперкомпјутер да оптимизује облик ових магнета и елиминише потребу за плазма струјом. Овај стил фузионог реактора познат је као стеларатор.

До сада, нико није изградио фузиони реактор који производи више енергије него што троши. Чак је и Венделстеин 7-Кс, највећи реактор стеллараторског типа на свијету, изграђен за истраживачке сврхе, а не за производњу енергије. Али ако желите да уложите своје наде у пројекат фузије, Венделстеин 7-Кс је добро место за почетак. Пазите и на ИТЕР, који ће бити највећи токамак на свету.