Pięć technologii wspomagających, których będzie potrzebować przemysł syntezy jądrowej

Energia termojądrowa potrzebuje czegoś więcej niż tylko trwałej reakcji termojądrowej, zanim będzie mogła pomóc światu w produkcji wystarczającej ilości energii neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. Departament Energii Stanów Zjednoczonych określił program badań i rozwoju zestawu technologii i procesów umożliwiających syntezę jądrową.

Dwóch urzędników DOE wymieniło pięć z tych technologii tłoczenia w Webinar Czwartek prowadzony przez Narodowe Akademie Nauki, Inżynierii i Medycyny (NASEM). Więcej omówiono w NASEM 2021 raport który wzywa do szybkiego rozwoju technologii umożliwiającej syntezę jądrową:

„Chociaż jest to często odkładane na przyszłość, cel, jakim jest ekonomiczna energia termojądrowa w ciągu następnych kilku dekad, jako strategiczny interes Stanów Zjednoczonych, napędza potrzebę szybkiego zwiększenia badań i rozwoju materiałów, komponentów i technologii jądrowych do syntezy jądrowej”.

Pięć wyróżnionych czwartków to:

1 Materiały odporne na fuzję

Plazma, w której zachodzi reakcja fuzji, może być gorętszy niż słońce. Potężne pole magnetyczne lub bezwładność może ograniczyć plazmę, chroniąc ją przed ścianami i elementami reaktora, ale reaktory termojądrowe będą wymagały materiałów, które wytrzymają ekstremalne ciepło i bombardowanie przez neutrony uwalniane, gdy izotopy wodoru przekształcają się w hel.

Aby przetestować potencjalne materiały, naukowcy muszą stworzyć warunki podobne do reakcji syntezy jądrowej.

„Istnieje bardzo pilna potrzeba stworzenia prototypowego źródła neutronów fuzyjnego, które byłoby w stanie zebrać dane o materiałach, co może zająć wiele lat ekspozycji” – powiedział Scott Hsu, główny koordynator DOE ds. syntezy jądrowej. Dodał, że podczas gdy to źródło neutronów jest w fazie rozwoju, uczenie maszynowe i testowanie materiałów może pomóc zawęzić liczbę potencjalnych materiałów.

Istnieje również możliwość całkowitego uniknięcia materiałów dzięki zastosowaniu „prawdziwie transformujących projektów pierwszej ściany i koca, w których możesz nawet nie mieć żadnego stałego materiału skierowanego w stronę plazmy, co prawie omija problem materiałów” – powiedział Hsu. „I musimy trzymać te pomysły na stole”.

2 Hodowca trytu

Najpopularniejsze projekty reaktorów termojądrowych wykorzystują dwa izotopy wodoru - deuteru (²H) i tryt (³H) – jako paliwo.

„Jeśli zamierzamy korzystać z cyklu paliwowego deuter-tryt, będziemy musieli wydobywać ciepło i hodować tryt” – powiedział Richard Hawryluk, starszy doradca techniczny w DOE Office of Science i przewodniczący raportu NASEM 2021 .

„Szczególnym wyzwaniem jest potrzeba bezpiecznego i wydajnego zamknięcia cyklu paliwowego”, czytamy w tym raporcie, „co w przypadku projektów syntezy jądrowej deuter-tryt obejmuje opracowanie koców do rozmnażania i ekstrakcji trytu, a także tankowanie, wyczerpujenie, ograniczanie, wydobywanie i oddzielanie trytu w znacznych ilościach”.

3 Układ wydechowy

Część niezgłębionego ciepła wytwarzanego w reakcji syntezy jądrowej zostanie wykorzystana do produkcji energii, ale najpierw trzeba nim zarządzać, a standardowy wentylator kuchenny nie wystarczy.

„Pełny program badawczy będzie wymagał urządzeń testowych wytwarzających środowiska coraz bardziej podobne do elektrowni termojądrowej w celu oceny obsługi wylotu mocy związanej z reaktorem w środowisku neutronów termojądrowych”, stwierdza raport NASEM.

4 bardziej wydajne lasery

National Ignition Facility (NIF) DOE świętowało długo oczekiwane osiągnięcie w grudniu, kiedy wywołało reakcję syntezy jądrowej, która uwolniła więcej energii (3.15 megadżuli) niż wiązki lasera, który ją zapalił (2.05 megadżuli). Ale do zasilania lasera potrzeba było 300 megadżuli.

Docelowo takie lasery będą zasilane po uruchomieniu energią elektryczną z reaktora termojądrowego. Ale bardziej wydajne lasery oznaczają bardziej wydajne reaktory, pozostawiając więcej mocy dla użytkownika lub sieci.

5 Powtórzenie

Nie wystarczy, aby laser był wydajny. Musi też działać mniej jak muszkiet, a bardziej jak karabin maszynowy.

„Wspaniały wynik w NIF”, powiedział Hawryluk, „dotarliśmy do tego punktu, wykonując kilka zdjęć rocznie. Musisz być w stanie dojść do punktu, w którym robisz kilka ujęć na sekundę lub ujęcie na sekundę, więc musimy również opanować częstotliwość powtarzania.

Zwiększa to częstotliwość powtarzania każdego etapu procesu, począwszy od kapsułki z paliwem. Według dziennika nauka„Należałoby wyprodukować milion kapsułek dziennie, napełnić je, ustawić, wysadzić w powietrze i usunąć – to ogromne wyzwanie inżynieryjne”.

WIĘCEJ OD FORBESFusion wkrótce stanie się niezbędną inwestycją, mówi urzędnik DOEBy Jeff McMahon