Zapłon fuzyjny
Zapłon termojądrowy to punkt, w którym reakcja syntezy jądrowej staje się samopodtrzymująca . Dzieje się tak, gdy energia wydzielana w wyniku reakcji ogrzewa masę paliwa szybciej niż ochładza. Innymi słowy, zapłon syntezy jądrowej to punkt, w którym rosnące samonagrzewanie syntezy jądrowej eliminuje potrzebę zewnętrznego ogrzewania. Jest to mierzone współczynnikiem wzmocnienia energii syntezy jądrowej .
W laboratorium zapłon termojądrowy został po raz pierwszy osiągnięty przez US National Ignition Facility w 2021 roku.
Badania
- Wiązki laserowe lub promieniowanie rentgenowskie wytwarzane przez laser szybko nagrzewają powierzchnię celu fuzyjnego, tworząc otaczającą otoczkę plazmową.
- Paliwo jest sprężane przez przypominający rakietę wydmuch gorącego materiału powierzchniowego.
- Podczas końcowej części implozji kapsuły rdzeń paliwowy osiąga 20-krotność gęstości ołowiu i zapala się w temperaturze 100 000 000 ˚C.
- Spalanie termojądrowe szybko rozprzestrzenia się w sprężonym paliwie, dając wielokrotnie większą energię wejściową.
Zapłonu nie należy mylić z progiem rentowności , podobną koncepcją, która porównuje całkowitą wydzielaną energię z energią wykorzystywaną do podgrzania paliwa. Kluczowa różnica polega na tym, że próg rentowności pomija straty do otoczenia, które nie przyczyniają się do podgrzania paliwa, a tym samym nie są w stanie spowodować samopodtrzymania reakcji. Breakeven jest ważnym celem w energii termojądrowej , ale dla praktycznego projektu wytwarzania energii wymagany jest zapłon.
W naturze gwiazdy osiągają zapłon w temperaturach podobnych do Słońca , około 15 milionów kelwinów (27 milionów stopni F). Gwiazdy są tak duże, że produkty fuzji prawie zawsze wchodzą w interakcję z plazmą, zanim ich energia zostanie utracona do otoczenia na zewnątrz gwiazdy. Dla porównania, reaktory wykonane przez człowieka są znacznie mniej gęste i znacznie mniejsze, co pozwala produktom syntezy jądrowej łatwo wydostawać się z paliwa. Aby to zrównoważyć, wymagane są znacznie wyższe szybkości topnienia, a tym samym znacznie wyższe temperatury; większość sztucznych reaktorów termojądrowych jest zaprojektowana do pracy w temperaturach powyżej 100 milionów kelwinów (180 milionów stopni F).
Lawrence Livermore National Laboratory ma swój system laserowy 1,8 MJ pracujący z pełną mocą. Ten system laserowy jest przeznaczony do kompresji i ogrzewania mieszaniny deuteru i trytu , które są izotopami wodoru , w celu skompresowania izotopów do ułamka ich pierwotnego rozmiaru i stopienia ich w atomy helu (uwalniając neutrony w procesie) .
W styczniu 2012 r. Dyrektor National Ignition Facility Mike Dunne przewidział w wykładzie plenarnym Photonics West 2012, że zapłon zostanie osiągnięty w NIF do października 2012 r.
Od 2022 r. NIF osiągnął zapłon, stosując technikę fuzji bezwładnościowej , która polega na użyciu laserów wysokoenergetycznych do jednorodnego sprasowania zewnętrznej części peletki zawierającej paliwo jądrowe, wykorzystując teraz chwilowo zwiększoną gęstość wewnątrz peletki zmuszony do zapadnięcia się do wewnątrz, aby zapalić paliwo. Wcześniej zapłon osiągano tylko w rdzeniach detonującej broni termojądrowej , innej formy fuzji bezwładnościowej, która (zamiast laserów) wykorzystuje konwencjonalną „ świecę zapłonową” rozszczepienia ( U-235 lub Pu-239 / 241 ) do ustawienia procesu wysiadać. [ potrzebne źródło ]
Oparty na konstrukcji reaktora tokamaka , ITER ma podtrzymywać syntezę jądrową głównie poprzez wewnętrzne ogrzewanie termojądrowe i zapewniać w swojej plazmie dziesięciokrotny zwrot energii. Oczekuje się, że budowa zakończy się w 2025 roku. [ Potrzebne źródło ]
Centrum tokamaka KSTAR osiągnęło również ważne kamienie milowe w rozwoju swojego reaktora. Koreański projekt ma kluczowe znaczenie dla ITER. We wrześniu 2022 roku tokamak KSTAR osiągnął i utrzymywał temperaturę 100 milionów stopni C przez 30 sekund bez uszkodzeń operacyjnych.
Eksperci uważają, że osiągnięcie zapłonu termojądrowego jest pierwszym krokiem w kierunku wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii termojądrowej .
Raporty zapłonu 2021 i 2022
National Ignition Facility w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii poinformowało w 2021 r., Że wywołało zapłon w laboratorium 8 sierpnia 2021 r., Po raz pierwszy w ponad 60-letniej historii programu ICF. Strzał dał 1,3 megadżula energii termojądrowej, co stanowi 8-krotną poprawę w porównaniu z testami przeprowadzonymi wiosną 2021 roku. NIF szacuje, że do kapsuły paliwowej dotarło 230 kJ energii, co dało prawie 6-krotny wzrost energii z kapsuły. Badacz z Imperial College London stwierdził, że większość badaczy zgodziła się, że wykazano zapłon.
W sierpniu 2022 r. wyniki eksperymentu zostały potwierdzone w trzech recenzowanych artykułach: jednym w Physical Review Letters i dwóch w Physical Review E. Naukowcy z NIF próbowali powtórzyć sierpniowy wynik bez powodzenia. Jednak 11 grudnia 2022 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych ogłosił, że ogłosi „wielki przełom naukowy”, który miał polegać na tym, że naukowcom z National Ignition Facility udało się wywołać zapłon. 13 grudnia 2022 r. Departament Energii USA potwierdził w oświadczeniu na Twitterze , że osiągnięto zapłon termojądrowy.
Zobacz też
- Płonąca plazma
- Fuzja w uwięzieniu inercyjnym
- Megadżule laserowe
- Lista artykułów z fizyki plazmy
- Kalendarium syntezy jądrowej
Linki zewnętrzne
- Krajowa instalacja zapłonowa
- Megadżule laserowe (po francusku)