ทำไม Max Planck Institute ต้องการปรุงพลาสม่าในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

ไม่มีอะไรเหมือนเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่จะสร้างความตื่นเต้น หลังจากเก้าปีของการก่อสร้างและ 1 พันล้านยูโรนักวิทยาศาสตร์ที่ Max Planck Institute of Plasma Physics ได้ทดสอบการฟิวชั่นครั้งแรกของอุปกรณ์ฟิวชั่น Wendelstein 7-X ในวันที่ 10 ธันวาคมและสร้างฮีเลียมพลาสมาที่ใช้เวลาหนึ่งในสิบของวินาที และถึงล้านองศาเซลเซียส แต่ยังไม่ได้รับการหลอกลวงเกินไป นี่เป็นเพียงขั้นตอนเดียวในการเตรียมอุปกรณ์เพื่อจุดประสงค์ที่แท้จริง: การศึกษาการหลอมนิวเคลียร์ด้วยแก๊สไฮโดรเจน

โอเคตอนนี้คุณกำลังสูบ

ฟิวชั่นเป็นลูกวัวทองคำที่มีการวิจัยพลังงานนิวเคลียร์มานานแล้วแสดงการแตกตัวของนิวเคลียร์ในทุกหมวดหมู่ยกเว้นความเป็นไปได้ ฟิวชั่นผลิตพลังงานปริมาณมหาศาล - ซึ่งเป็นกระบวนการเดียวกันที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์ แต่พลังของมันทำให้ปวดในการจัดการกับ เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นทุกเครื่องที่สร้างขึ้นนั้นใช้พลังงานมากกว่าที่ผลิต บันทึกสำหรับพลังงานฟิวชั่นถูกตั้งค่าในปี 1997: 16 เมกะวัตต์ที่ผลิตด้วยกำลังไฟฟ้า 24 เมกะวัตต์ แต่ถ้ามีคนจัดการเปลี่ยนสมการนั้น…คุณบอกได้ไหมว่าพลังงานราคาถูกปราศจากคาร์บอน?

ซึ่งแตกต่างจากลูกพี่ลูกน้องที่ซับซ้อนน้อยกว่าฟิวชั่นผลิตไม่มีของเสียที่มีกัมมันตภาพรังสี วัฏจักรการจัดหาไฮโดรเจนนั้นมีปัญหาน้อยกว่าวัฏจักรการจัดหายูเรเนียม เพื่อความเป็นธรรมแหล่งที่มาที่พบบ่อยที่สุดของไฮโดรเจนในปัจจุบันคือถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ แต่ไฮโดรเจนสามารถผลิตด้วยกระแสไฟฟ้าแทน

ฟิชชันและฟิวชั่นเหมือนกันในสองประการ ทั้งคู่ใช้ประโยชน์จากการแปลงอะตอมของธาตุหนึ่งไปเป็นอะตอมของธาตุอื่นและทั้งคู่ถูกใช้เป็นอาวุธเป็นครั้งแรก Fat Man และ Little Boy ระเบิดของฟิชชันได้ตกลงบนฮิโรชิมาและนางาซากิในปี 2488 ในปีพ. ศ. 2495 ได้มีการหลอมรวมอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น Ivy Mike (แม้ว่าไอวี่ไมค์ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเป็นระเบิด แต่ในไม่ช้ามันก็ตามด้วยหัวรบนิวเคลียร์แสนสาหัสหลายเมกะทในการส่งมอบทั้งหมดโดยขีปนาวุธข้ามทวีป)

ระเบิดฟิวชั่นถูกเรียกว่า H-bomb ด้วยเหตุผล: การปลดปล่อยพลังงานอย่างไม่เคยมีมาก่อนมาจากการรวมตัวของอะตอมไฮโดรเจน นักวิจัยของฟิวชั่นพยายามควบคุมเอฟเฟกต์นี้สำหรับการผลิตพลังงานของพลเรือน ปรากฎว่านี่เป็นสิ่งที่ท้าทาย การหลอมไฮโดรเจนที่พื้นผิวโลกนั้นต้องการอุณหภูมิมากกว่าหนึ่งล้านองศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิเหล่านี้ไฮโดรเจนและฮีเลียมกลายเป็นพลาสมาซึ่งเป็นสสารชนิดที่สี่

แต่พลาสม่านั้นคืออะไรกันแน่?

กล่าวโดยสรุปพลาสมาเป็นก๊าซไอออไนซ์ ในพลาสมาพันธะโมเลกุลทั้งหมดจะละลายและอิเล็กตรอนจะออกจากอะตอมโฮสต์ พลาสม่ามีความนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากมีความหนาแน่นของประจุพาเนลที่สูงเช่นอิเล็กตรอนและไอออนมีอิสระในการเคลื่อนที่อิสระจากกันในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า

แม้ว่าทั้งหมดนี้ฟังดูแปลกใหม่ plasmas ทำให้ปรากฏตัวเป็นประจำในชีวิตของเรา แสงจากสายฟ้าและสัญญาณนีออนมาจากอิเล็กตรอนที่รวมตัวกันอีกครั้งด้วยไอออนและจมลงสู่สถานะควอนตัมที่ต่ำกว่าซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเอง เปลวไฟบางชนิดมีความร้อนสูงพอที่จะทำให้เกิดก๊าซไอเสียและคบเพลิงพลาสมาหน้าจอพลาสมาและช่างเชื่อมอาร์คทั้งหมดใช้ประโยชน์จากพลาสมา

แต่สิ่งเหล่านั้นไม่มีอะไรในพลาสมาในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น ที่หนึ่งล้านองศาเซลเซียสอะตอมในซุปฟิวชั่นมีพลังมาก หากพวกเขาไม่อยู่พวกเขาจะพุ่งออกทำความเสียหายอุปกรณ์และไม่สามารถหลอมรวมกันได้ หากไม่มีการควบคุมคุณอาจไม่ถึงหนึ่งล้านองศาในตอนแรก

บรรจุอยู่ ความท้าทายที่สำคัญในการวิจัยฟิวชั่น พลาสมาจะต้องถูกเก็บไว้ในที่อับอากาศและต้องไม่สัมผัสกับผนังของภาชนะฟิวชั่น จำเป็นต้องพูดเรือต้องเก็บไว้ที่สูญญากาศสูง Wendelstein 7-X ใช้ปั๊มสุญญากาศ 65 ตัวเพื่อควบคุมแรงดันที่ 0.000000001 millibars (นั่นคือ 0.000001 Pascals สำหรับคนรัก SI ของคุณ) วิธีการที่เหมือนจริงเพียงวิธีเดียวในการกักก๊าซไอออไนซ์ที่อุณหภูมิชั่วร้ายคือเก็บไว้ในสนามแม่เหล็ก และนี่คือสิ่งที่หากินได้จริงๆ

สำหรับปีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ tokamak ในปีก่อนที่ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์จะเล่นหมากรุกมนุษย์ถูกทิ้งในถังขยะที่ Jeopardy และโปรตีนที่พับเก็บนักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีที่ชาญฉลาดในการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีรูปร่างถูกต้อง ใน tokamak กระแสไฟฟ้าไหลผ่านพลาสมาคู่กับแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่จำเป็น

ไม่เช่นนั้นใน Wendelstein 7-X ที่นี่เขตกักกันนั้นมาจากตัวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งยวดภายนอก ทีมวิจัยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อปรับรูปร่างของแม่เหล็กเหล่านี้และกำจัดความต้องการกระแสพลาสมา เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นรูปแบบนี้เป็นที่รู้จักกันในนาม stellarator

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่สร้างพลังงานมากกว่าที่มันใช้ แม้แต่เวนเดลสไตน์ 7-X เครื่องปฏิกรณ์สเตลลาเรเตอร์ชนิดที่ใหญ่ที่สุดในโลกก็ถูกสร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยไม่ใช่เพื่อสร้างพลังงาน แต่ถ้าคุณต้องการลงทุนในโครงการฟิวชั่น Wendelstein 7-X เป็นจุดเริ่มต้นที่ดี ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณจับตาดู ITER ด้วยเช่นกันตั้งเป็น tokamak ที่ใหญ่ที่สุดในโลก