De ce Institutul Max Planck dorea să gătească plasmă în reactorul său de fuziune

Nu există nimic asemănător unui reactor de fuziune care să genereze excitare. După nouă ani de construcție și 1 miliard de euro, cercetătorii de la Institutul Max Planck din Fizica Plasmei au lansat primul test fierbinte al dispozitivului de fuziune Wendelstein 7-X pe 10 decembrie și au generat o plasmă de heliu care a durat o zecime de secundă și a ajuns la un milion de grade Celsius. Dar să nu fiți prea hyped încă. Acesta a fost doar un pas spre pregătirea dispozitivului pentru adevăratul său scop: studierea fuziunii nucleare cu hidrogen gazos.

Bine, acum sunteți pompați.

Fusion a fost de mult timp vițelul de aur al cercetării în domeniul energiei nucleare, prezentând fisiune nucleară în toate categoriile, cu excepția fezabilității. Fusion produce o cantitate colosală de energie - este, la urma urmei, același proces care conduce soarele. Dar chiar puterea lui face o durere în fundul pentru a face față. Fiecare reactor de fuziune construit până în prezent consuma mai multă putere decât a produs. Recordul pentru puterea de fuziune a fost stabilit în 1997: 16 megawați produsă cu o putere de intrare de 24 megawați. Dar dacă cineva reușește să transforme acea ecuație în jurul … Poți să spui energie ieftină și fără carbon?

Spre deosebire de vărul său mai puțin sofisticat, fuziunea nu produce deșeuri radioactive. Ciclul de alimentare cu hidrogen este mai puțin problematic decât ciclul de alimentare cu uraniu. Pentru a fi echitabil, cele mai frecvente surse de hidrogen în prezent sunt cărbunele și gazele naturale, însă hidrogenul ar putea fi produs prin electroliză.

Fission și fuziune sunt similare în două privințe. Ambele exploatează transformarea atomilor dintr-un element în atomi ai altui element și ambele au fost folosite pentru prima dată ca arme. Fat Man and Little Boy, bompele de fisiune au scazut pe Hiroshima si Nagasaki in 1945, au dat drumul pana in 1952 la dispozitivele de fuziune precum Ivy Mike. (Deși Ivy Mike nu a fost construit ca o bombă, în curând a fost urmat de focoase termonucleare multe megatony în randament toate furnizate de rachete intercontinentale.)

Bomba de fuziune a fost cunoscută ca o bombă H pentru un motiv: Eliberarea fără precedent a energiei a provenit din fuziunea atomilor de hidrogen. Cercetătorii de fuziune încearcă să valorifice acest efect pentru generarea de energie civilă. Se pare că aceasta este o provocare. Fuziunea hidrogenului la suprafața Pământului ar necesita temperaturi mai mari de un milion de grade Celsius. La aceste temperaturi, hidrogenul și heliul devin o plasmă, a patra formă de materie.

Dar ce naiba este o plasmă, oricum?

Pe scurt, o plasmă este un gaz ionizat. Într-o plasmă, toate legăturile moleculare se dizolvă și electronii își părăsesc atomii gazdă. Plasmele sunt foarte conductive deoarece au o densitate ridicată a purtătorului, adică electronii și ionii sunt libere să se deplaseze independent unul față de celălalt ca răspuns la un câmp electric.

Deși acest lucru sună exotic, plasmele fac apariții regulate în viața noastră. Lumina de la fulgere și semne neonale provine de la electroni care se recombină cu ioni și scufundă în stări cuantice mai mici, proces cunoscut sub numele de emisie spontană. Unele flăcări sunt destul de fierbinți pentru a ioniza gazele de eșapament, iar tortelele cu plasmă, ecranele cu plasmă și sudorii cu arc utilizează toate plasmele.

Dar toți aceștia nu au nimic pe plasmă într-un reactor de fuziune. La un milion de grade Celsius, atomii din supa de fuziune sunt extrem de energici. Dacă nu sunt constrânși, vor deconecta, vor deteriora aparatul și nu vor fuziona unii cu alții. Fără restricții, probabil că niciodată nu ați ajunge niciodată la un milion de grade.

Concentrarea este provocare majoră în cercetarea în domeniul fuziunii. Plasma trebuie păstrată într-un spațiu închis și nu trebuie să atingă pereții vasului de fuziune. Inutil să spun că vasul trebuie ținut la vid înaintat. Wendelstein 7-X utilizează 65 pompe de vid pentru a menține presiunea la 0.000000001 millibari. (Este 0.000001 pascale pentru voi iubitorii de SI.) Singurul mijloc realist prin care se poate limita un gaz ionizat la temperaturi de urgenta este sa-l tineti intr-un camp magnetic. Și aici lucrurile devin foarte dificile.

De ani de zile, cel mai popular design al reactorului de fuziune a fost tokamakul. În anii în care super-calculatoarele au jucat șah, au distrus oamenii la Jeopardy și proteinele pliate, oamenii de știință au venit cu moduri inteligente de a produce câmpul magnetic corect. Într-un tokamak, un curent electric care trece prin perechi de plasmă cu electromagneți externi pentru a crea câmpul magnetic necesar.

Nu este așa în Wendelstein 7-X. Aici, câmpul de izolare provine în întregime din electromagneți supraconductori externi. Echipa de cercetare a folosit un supercomputer pentru a optimiza forma acestor magneți și a elimina necesitatea unui curent plasmatic. Acest stil de reactor de fuziune este cunoscut ca un stelarator.

Până acum, nimeni nu a construit un reactor de fuziune care generează mai multă energie decât consumă. Chiar și Wendelstein 7-X, cel mai mare reactor de tip stellarator din lume, a fost construit în scopuri de cercetare, nu pentru a genera energie. Dar dacă doriți să vă investiți speranțele într-un proiect de fuziune, Wendelstein 7-X este un loc bun pentru a începe. Asigurați-vă că țineți cont și de ITER, considerat a fi cel mai mare tokamak din lume.