Et vedvarende, stabilt eksperiment er den siste demonstrasjonen av at kjernefysisk fusjon går fra å være et fysikkproblem til et teknisk problem
Fysikk
7. september 2022
Korea Superconducting Tokamak Advanced Research-eksperimentet
Korea Institute of Fusion Energy
En kjernefysisk fusjonsreaksjon har vart i 30 sekunder ved temperaturer over 100 millioner °C. Selv om varigheten og temperaturen alene ikke er rekorder, bringer den samtidige oppnåelsen av varme og stabilitet oss et skritt nærmere en levedyktig fusjonsreaktor – så lenge teknikken som brukes kan skaleres opp.
De fleste forskere er enige om at levedyktig fusjonskraft fortsatt er tiår unna, men de gradvise fremskrittene i forståelse og resultater fortsetter å komme. Et eksperiment utført i 2021 skapte en reaksjon som var energisk nok til å være selvopprettholdende, konseptuelle design for en kommersiell reaktor er under utarbeidelse, mens arbeidet fortsetter med den store eksperimentelle fusjonsreaktoren ITER i Frankrike.
Nå Yong-Su Na ved Seoul National University i Sør-Korea og hans kolleger har lykkes i å kjøre en reaksjon ved de ekstremt høye temperaturene som vil kreves for en levedyktig reaktor, og holde den varme, ioniserte tilstanden til materie som skapes i enheten stabil i 30 sekunder.
Det er viktig å kontrollere dette såkalte plasmaet. Hvis den berører veggene i reaktoren, avkjøles den raskt, kveler reaksjonen og forårsaker betydelig skade på kammeret som holder den. Forskere bruker vanligvis forskjellige former av magnetiske felt for å inneholde plasmaet – noen bruker en kanttransportbarriere (ETB), som former plasma med et skarpt trykkavskjæring nær reaktorveggen, en tilstand som stopper varme og plasma som slipper ut. Andre bruker en intern transportbarriere (ITB) som skaper høyere trykk nærmere midten av plasmaet. Men begge deler kan skape ustabilitet.
Nas team brukte en modifisert ITB-teknikk på Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-enheten, og oppnådde en mye lavere plasmatetthet. Tilnærmingen deres ser ut til å øke temperaturene i kjernen av plasmaet og senke dem ved kanten, noe som sannsynligvis vil forlenge levetiden til reaktorkomponenter.
Dominic Power ved Imperial College London sier at for å øke energien som produseres av en reaktor, kan du gjøre plasma veldig varmt, gjøre det veldig tett eller øke innesperringstiden.
“Dette teamet finner ut at tetthetsbegrensningen faktisk er litt lavere enn tradisjonelle driftsmoduser, noe som ikke nødvendigvis er en dårlig ting, fordi det kompenseres for av høyere temperaturer i kjernen,” sier han. «Det er definitivt spennende, men det er stor usikkerhet om hvor godt vår forståelse av fysikk skaleres til større enheter. Så noe som ITER kommer til å bli mye større enn KSTAR».
Na sier at lav tetthet var nøkkelen, og at “raske” eller mer energiske ioner i kjernen av plasmaet – såkalt fast-ion-regulated enhancement (FIRE) – er integrert i stabiliteten. Men teamet forstår ennå ikke helt mekanismene som er involvert.
Reaksjonen ble stoppet etter 30 sekunder kun på grunn av begrensninger med maskinvare, og lengre perioder skulle være mulig i fremtiden. KSTAR har nå stengt ned for oppgraderinger, med karbonkomponenter på veggen av reaktoren som er erstattet med wolfram, noe Na sier vil forbedre reproduserbarheten til eksperimenter.
Lee Margetts ved University of Manchester, Storbritannia, sier at fysikken til fusjonsreaktorer er i ferd med å bli godt forstått, men at det er tekniske hindringer å overvinne før et fungerende kraftverk kan bygges. En del av det vil være å utvikle metoder for å trekke varme fra reaktoren og bruke den til å generere elektrisk strøm.
“Det er ikke fysikk, det er ingeniørfag,” sier han. “Hvis du bare tenker på dette fra et gasskraftverk eller et kullkraftverk, hvis du ikke hadde noe å ta bort varmen, så ville de som driver det si ‘vi må bytte det av fordi det blir for varmt og det vil smelte kraftstasjonen’, og det er akkurat situasjonen her.»
Brian Appelbe ved Imperial College London er enig i at de vitenskapelige utfordringene som er igjen i fusjonsforskning bør være oppnåelige, og at FIRE er et skritt fremover, men at kommersialisering vil være vanskelig.
“Den magnetiske inneslutningsfusjonstilnærmingen har en ganske lang historie med å utvikle seg for å løse det neste problemet den kommer opp mot,” sier han. “Men det som gjør meg litt nervøs, eller usikker, er de tekniske utfordringene ved å faktisk bygge et økonomisk kraftverk basert på dette.”
Journalreferanse: Natur, DOI: 10.1038/s41586-022-05008-1
Mer om disse emnene: