Reactorul european de fuziune stabilește record de energie susținută | Ştiinţă

În experimentele care au culminat 40 de ani de funcționare a Joint European Torus (JET), cel mai mare reactor de fuziune din lume, cercetătorii au anunțat astăzi că au doborât recordul pentru producția controlată de energie de fuziune. Pe 21 decembrie 2021, JET, cu sediul în Regatul Unit, a încălzit un gaz de izotopi de hidrogen la 150 de milioane de grade Celsius și l-a menținut constant timp de 5 secunde în timp ce nucleele fuzionau, eliberând 59 de megajouli (MJ) de energie, care este aproximativ dublul energiei cinetice. a unei semiremorci încărcate care circulă cu 160 de kilometri pe oră. Energia pulsului este de peste 2,5 ori mai mare decât recordul anterior de 22 MJ, stabilit de JET cu 25 de ani în urmă. „Este uimitor să vezi fotografii în care deține puterea mare timp de 5 secunde”, spune Steven Cowley, directorul Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).

Cu toate acestea, succesul JET nu înseamnă că energia electrică generată prin fuziune va fi alimentată în curând în rețea. Cercetătorii trebuie să fi pus de aproximativ trei ori mai multă energie în gaz decât reacția produsă. Dar rezultatul le oferă încredere în proiectarea ITER, un reactor de fuziune gigant aflat în construcție în Franța, care se presupune că va pompa de cel puțin 10 ori mai multă energie decât injectează. „Aceasta este o veste foarte bună pentru ITER”, spune Alberto Loarte, șeful diviziei de știință a ITER. „Acest lucru confirmă puternic strategia noastră”.

Fuziunea a fost promovată de mult timp ca o viitoare sursă de energie verde. Dacă aceeași reacție nucleară care alimentează Soarele ar putea fi replicată pe Pământ, ar putea furniza energie din belșug cu cantități mici de deșeuri nucleare și fără gaze cu efect de seră. Dar producția netă de energie s-a dovedit evazivă. În august 2021, cercetătorii de la Instituția Națională de Aprindere, care aprinde fuziunea prin încălzirea și zdrobirea peleților minuscule de combustibil cu 192 de fascicule laser convergente, au raportat că au atins 71% din acel prag de rentabilitate, mai aproape decât oricine. , dar numai pentru o perioadă de timp. moment.

JET și ITER reprezintă o abordare diferită, mai potrivită pentru producția de energie durabilă. Ambele sunt tokamak-uri: vase în formă de gogoașă învelite într-o rețea de magneți puternici care țin gazul ionizat super fierbinte, sau plasma, în loc și îl împiedică să atingă și să topească pereții vasului. Cercetătorii din anii 1980 credeau că JET și o mașină concurentă de la PPPL (acum dezmembrată) se vor atinge rapid de rentabilitate. JET sa apropiat în 1997, generând o explozie scurtă de 1,5 secunde care a atins două treimi din puterea de intrare.

Dar progresul lent i-a determinat pe cercetători în anii 1990 să proiecteze ITER, un tokamak gigant de 20 de metri lățime care conține de 10 ori mai multă plasmă decât JET. Conform modelelor, un volum mai mare de plasmă ar menține condițiile de fuziune mai mult timp, făcând mai dificilă îndepărtarea căldurii. ITER de 25 de miliarde de dolari, finanțat de China, Uniunea Europeană, India, Japonia, Coreea de Sud, Rusia și Statele Unite, este de așteptat să intre în funcțiune în 2025, dar nu va produce cantități mari de energie electrică înainte de 2035, când este de așteptat. începeți să ardeți izotopii deuteriu și tritiu (DT) producatori de energie.

Operațiunile timpurii ale JET i-au învățat pe designerii ITER o lecție cheie. JET a fost căptușit cu carbon deoarece rezistă la topire. Dar s-a dovedit a „absorbi combustibilul ca un burete”, spune Fernanda Rimini, expert în operațiuni cu plasmă la JET. Prin urmare, designerii ITER au ales să folosească metalele beriliu și wolfram.

Cu toate acestea, nimeni nu știa cum vor funcționa, iar JET a oferit un banc de testare. Începând din 2006, inginerii și-au îmbunătățit magneții, sistemul de încălzire cu plasmă și peretele interior pentru a-l apropie cât mai mult de ITER. Când a repornit în 2011, semnele nu erau bune, spune Cowley, care era atunci director al Centrului Culham pentru Energie de Fuziune, care conduce JET în numele agenției EuroFusion a Uniunii Europene. „Nu am putut să intrăm în același lucru [high power] scheme”.

Cu grijă, echipa JET și-a dat seama ce se întâmplă. Ei au descoperit că ionii de plasmă cu energie înaltă doboară ionii de tungsten de pe perete, făcându-i să radieze energie și să atragă căldura din plasmă. Timp de mulți ani, echipa a dezvoltat o strategie de adaptare. Prin injectarea unui strat subțire de gaz, cum ar fi azot, neon sau argon, lângă peretele vasului, acestea ar putea răci marginea exterioară a plasmei și ar putea împiedica ionii să ajungă la wolfram. „Încet-încet am reluat performanța”, spune Cowley.

În septembrie 2021, cercetătorii JET au început să vadă ce ar putea face mașina lor reproiectată. Asta însemna schimbarea combustibilului, la DT. Majoritatea reactoarelor de fuziune funcționează cu hidrogen sau deuteriu obișnuit, permițându-le să exploreze comportamentul plasmelor evitând în același timp complicațiile tritiului radioactiv și rar. Dar personalul JET era dornic să-și testeze mașina în condiții reale de generare a energiei. În primul rând, au trebuit să repornească instalațiile de procesare a tritiului din reactor, care au fost inactive timp de 2 decenii, care extrag ionii de tritiu și deuteriu nearse din gazele reziduale după fiecare injectare și îi reciclează.

Succesele recente pregătesc terenul pentru ITER și arată că pariul designerilor săi pe un perete din metal ar trebui să plătească. „Confirmă că ne-am asumat nivelul corect de risc”, spune Loarte. Dar pentru JET, cursa DT este un fel de cântec de lebădă. Joe Milnes, managerul de operațiuni al JET, a declarat că reactorul va avea o altă funcționare experimentală, de la mijlocul lui 2022 până la sfârșitul lui 2023, înainte de a se închide. „A fost cel mai de succes experiment de fuziune de până acum”, spune el, dar este timpul „să predăm ITER”.