En de fusie?
Technologie

En de fusie?

De berichten eind vorig jaar over de bouw van een fusiereactor door Chinese specialisten klonken opzienbarend (1). Chinese staatsmedia meldden dat de HL-2M-faciliteit, gelegen in een onderzoekscentrum in Chengdu, in 2020 normaal zal gaan functioneren. De toon van de mediaberichten gaf aan dat de kwestie van de toegang tot de onuitputtelijke energie van thermonucleaire fusie voor altijd was opgelost.

Door de details nader te bekijken, wordt het optimisme bekoeld.

Nowy tokamak-type apparaat, met een geavanceerder ontwerp dan de tot nu toe bekende, zouden plasma moeten genereren met temperaturen boven de 200 miljoen graden Celsius. Duan Xiuru, hoofd van het Southwest Institute of Physics van de China National Nuclear Corporation, maakte dit bekend in een persbericht. Het apparaat zal technische ondersteuning bieden aan de Chinezen die aan het project werken Internationale thermonucleaire experimentele reactor (ITER)evenals de bouw.

Ik denk dus dat dit nog geen energierevolutie is, ook al is deze door de Chinezen gecreëerd. KHL-2M-reactor er is nog weinig bekend. We weten niet wat de verwachte thermische output van deze reactor is, of welke energieniveaus nodig zijn om er een kernfusiereactie in uit te voeren. We weten het belangrijkste niet - is de Chinese fusiereactor een ontwerp met een positieve energiebalans, of is het gewoon weer een experimentele fusiereactor die een fusiereactie mogelijk maakt, maar tegelijkertijd meer energie nodig heeft voor "ontsteking" dan de energie die kan worden verkregen als resultaat van reacties.

Internationale inspanning

China neemt, samen met de Europese Unie, de Verenigde Staten, India, Japan, Zuid-Korea en Rusland, deel aan het ITER-programma. Het is het duurste van de lopende internationale onderzoeksprojecten die door de bovengenoemde landen worden gefinancierd en kost ongeveer 20 miljard dollar. Het werd ontdekt als gevolg van de samenwerking tussen de regeringen van Michail Gorbatsjov en Ronald Reagan tijdens de Koude Oorlog, en vele jaren later werd het opgenomen in een verdrag dat in 2006 door al deze landen werd ondertekend.

2. Op de bouwplaats van de ITER-tokamak

Het ITER-project in Cadarache in Zuid-Frankrijk (2) ontwikkelt de grootste tokamak ter wereld, een plasmakamer die moet worden getemd door een krachtig magnetisch veld gecreëerd door elektromagneten. Deze uitvinding werd in de jaren vijftig en zestig door de Sovjet-Unie ontwikkeld. Projectleider, Lavan Koblenz, kondigde aan dat de organisatie tegen december 2025 het “eerste plasma” zou moeten ontvangen. ITER zou telkens een thermonucleaire reactie voor ongeveer duizend mensen moeten ondersteunen. seconden en wint aan kracht 500-1100MW. Ter vergelijking: de grootste Britse tokamak tot nu toe, JET (gezamenlijke Europese torus), handhaaft een reactie gedurende enkele tientallen seconden en wint aan kracht tot 16 MW. De energie in deze reactor komt vrij als warmte; het is niet de bedoeling dat deze wordt omgezet in elektriciteit. Het leveren van fusie-energie aan het net is uitgesloten, omdat het project uitsluitend bedoeld is voor onderzoeksdoeleinden. Alleen op basis van ITER zal het mogelijk zijn de toekomstige generatie thermonucleaire reactoren te bouwen die aan de macht komen 3-4 duizend. Mw.

De belangrijkste reden waarom er nog steeds geen echte fusiecentrales bestaan ​​(ondanks meer dan zestig jaar uitgebreid en duur onderzoek) is de moeilijkheid om het gedrag van het plasma te controleren en te ‘controleren’. Jarenlange experimenten hebben echter veel waardevolle ontdekkingen opgeleverd, en vandaag de dag lijkt fusie-energie veel dichterbij dan ooit.

Voeg helium-3 toe, meng en verwarm

ITER is de belangrijkste focus van het mondiale fusieonderzoek, maar veel onderzoekscentra, bedrijven en militaire laboratoria werken ook aan andere fusieprojecten die afwijken van de klassieke aanpak.

De afgelopen jaren bijvoorbeeld uitgevoerd van het Massachusetts Institute of Technology experimenteert met Roer-3 op de tokamak leverde opwindende resultaten op, waaronder tienvoudige toename van energie plasma-ion. Wetenschappers die experimenten uitvoeren met de C-Mod tokamak aan het Massachusetts Institute of Technology, hebben samen met specialisten uit België en Groot-Brittannië een nieuw type fusiebrandstof ontwikkeld die drie soorten ionen bevat. Team Alcator C-Mod (3) voerde het onderzoek uit in september 2016, maar de gegevens van deze experimenten zijn pas onlangs geanalyseerd, wat een enorme toename van de plasma-energie aan het licht bracht. De resultaten waren zo bemoedigend dat wetenschappers van het grootste operationele fusielaboratorium ter wereld, JET in Groot-Brittannië, besloten de experimenten te herhalen. Dezelfde toename in energie werd bereikt. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.

3. Alcator C-Mod tokamak in bedrijf

De sleutel tot het verhogen van de efficiëntie van splijtstof was het toevoegen van sporenhoeveelheden helium-3, een stabiele isotoop van helium met één neutron in plaats van twee. De splijtstof die in de Alcator C-methode werd gebruikt, bevatte voorheen slechts twee soorten ionen: deuterium en waterstof. Deuterium, een stabiele isotoop van waterstof met een neutron in de kern (in tegenstelling tot waterstof zonder neutronen), maakt ongeveer 95% van de brandstof uit. Wetenschappers van het MIT Plasma Research Center (PSFC) gebruikten een proces genaamd verwarming in radiofrequenties. Antennes in de buurt van de tokamak gebruiken een specifieke radiofrequentie om de deeltjes te exciteren, en de golven zijn gekalibreerd om waterstofionen te ‘targeten’. Omdat waterstof een klein deel van de totale dichtheid van de brandstof uitmaakt, kan de concentratie op het verwarmen van slechts een klein deel van de ionen ervoor zorgen dat extreme energieniveaus worden bereikt. Vervolgens verplaatsen de gestimuleerde waterstofionen zich naar de overheersende deuteriumionen in het mengsel, en de aldus gevormde deeltjes komen de buitenste schil van de reactor binnen, waarbij warmte vrijkomt.

De efficiëntie van dit proces neemt toe wanneer helium-3-ionen aan het mengsel worden toegevoegd in een hoeveelheid van minder dan 1%. Door alle radioverwarming te concentreren op een kleine hoeveelheid helium-3, verhoogden de wetenschappers de energie van de ionen tot mega-elektronvolt (MeV).

Wie het eerst komt, het eerst maalt Equivalent in het Russisch: late gast en bot eten

De afgelopen jaren hebben zich veel ontwikkelingen voorgedaan in de wereld van het gecontroleerde kernfusiewerk, waardoor de hoop bij wetenschappers en bij ons allemaal is gewekt om eindelijk de ‘Heilige Graal’ van energie te bereiken.

Goede signalen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, ontdekkingen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Radiogolven zijn met groot succes gebruikt om de zogenaamde plasmaverstoringen aanzienlijk te verminderen, wat cruciaal kan zijn bij het "aankleden" van thermonucleaire reacties. Dezelfde onderzoeksgroep rapporteerde in maart 2019 een lithium-tokamak-experiment waarbij de binnenwanden van de testreactor werden bekleed met lithium, een materiaal dat bekend is uit batterijen die vaak in de elektronica worden gebruikt. De wetenschappers merkten op dat de lithiumbekleding op de reactorwanden verspreide plasmadeeltjes absorbeert, waardoor wordt voorkomen dat ze worden teruggekaatst naar de plasmawolk en de thermonucleaire reacties verstoren.

4. Visualisatieproject TAE Technologies

Wetenschappers van grote gerenommeerde wetenschappelijke instellingen zijn zelfs voorzichtig optimistisch geworden in hun uitspraken. De laatste tijd is er ook in de particuliere sector sprake van een enorme toename van de belangstelling voor gecontroleerde synthesetechnieken. In 2018 kondigde Lockheed Martin een plan aan om de komende tien jaar een prototype van een compacte fusiereactor (CFR) te ontwikkelen. Als de technologie waaraan het bedrijf werkt, werkt, kan een apparaat ter grootte van een vrachtwagen voldoende elektriciteit leveren om te voldoen aan de behoeften van een apparaat van 100 vierkante meter. stadsbewoners.

Andere bedrijven en onderzoekscentra concurreren om te zien wie de eerste echte fusiereactor kan bouwen, waaronder TAE Technologies en het Massachusetts Institute of Technology. Zelfs Jeff Bezos van Amazon en Bill Gates van Microsoft zijn onlangs betrokken geraakt bij fusieprojecten. NBC News telde onlangs zeventien kleine bedrijven in de Verenigde Staten die zich uitsluitend met fusie bezighielden. Startups als General Fusion of Commonwealth Fusion Systems richten zich op kleinere reactoren op basis van innovatieve supergeleiders.

Het concept van “koude kernfusie” en alternatieven voor grote reactoren, niet alleen tokamaks, maar ook de zogenaamde. stellaratoren, met een iets ander ontwerp, eveneens gebouwd in Duitsland. Ook de zoektocht naar een andere aanpak gaat door. Een voorbeeld hiervan is een apparaat genaamd Z-knijp, gebouwd door wetenschappers van de Universiteit van Washington en beschreven in een van de laatste nummers van het tijdschrift Physics World. De Z-pinch werkt door plasma op te vangen en te comprimeren in een krachtig magnetisch veld. In het experiment was het mogelijk om het plasma gedurende 16 microseconden te stabiliseren, en de fusiereactie duurde ongeveer een derde van deze tijd. De demonstratie was bedoeld om te laten zien dat kleinschalige fusie mogelijk is, al hebben veel wetenschappers daar nog steeds ernstige twijfels over.

Dankzij de steun van Google en andere investeerders die zich richten op geavanceerde technologieën, gebruikt het in Californië gevestigde TAE Technologies op zijn beurt een andere aanpak dan typische fusie-experimenten. boorhydride brandstofmengsel, die werden gebruikt om kleinere en goedkopere reactoren te ontwikkelen, aanvankelijk met als doel de zogenaamde fusieraketvoortstuwing. Prototype cilindrische fusiereactor (4) met botsende stralen (CBFR), die waterstofgas verwarmt om twee plasmaringen te vormen. Ze combineren met bundels inerte deeltjes en worden in deze toestand gehouden, wat de energie en duurzaamheid van het plasma zou moeten helpen vergroten.

Een andere thermonucleaire startup, General Fusion, uit de Canadese provincie British Columbia, wordt ondersteund door Jeff Bezos zelf. Simpel gezegd is het concept ervan om heet plasma te injecteren in een bal van vloeibaar metaal (een mengsel van lithium en lood) in een stalen bal, waarna het plasma wordt samengedrukt door zuigers, vergelijkbaar met een dieselmotor. De gecreëerde druk zou moeten leiden tot thermonucleaire fusie, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen om de turbines van een nieuw type energiecentrale van stroom te voorzien. Mike Delage, hoofd technologie bij General Fusion, zegt dat commerciële kernfusie binnen tien jaar zijn debuut zou kunnen maken.

5. Illustratie uit het thermonucleaire patent van de Amerikaanse marine.

De Amerikaanse marine heeft onlangs ook patent aangevraagd voor een ‘plasmafusieapparaat’. Het patent spreekt over magnetische velden om "versnelde trillingen" te creëren (5). Het idee is om fusiereactoren te bouwen die klein genoeg zijn om draagbaar te zijn. Het behoeft geen betoog dat deze octrooiaanvraag met scepsis werd onthaald.

Voeg een reactie