Hvorfor Max Planck Institute ønsket å lagre plasma i sin fusjonsreaktor

Det er ingenting som en fusjonsreaktor for å generere spenning. Etter ni års konstruksjon og 1 milliard euro, slått forskere fra Max Planck Institute of Plasma Physics opp den første varme testen av Wendelstein 7-X fusjonsanordningen 10. desember, og genererte et heliumplasma som varte i en tiendedel av et sekund og nådde en million grader Celsius. Men ikke bli for hyped ennå. Dette var bare et skritt mot å forberede enheten for sin sanne hensikt: å studere atomfusjon med hydrogengass.

Ok, nå pumpes du.

Fusion har lenge vært den gylne kalven av kjernefysisk forskning, som viser kjernefysisk fisjon i alle kategorier unntatt gjennomførbarhet. Fusjon produserer en kolossal mengde energi - det er jo den samme prosessen som driver solen. Men dens meget kraft gjør det til en smerte i rumpa for å håndtere. Hver fusjonsreaktor bygget så langt konsumert mer kraft enn den produserte. Rekorden for fusjonskraft ble satt i 1997: 16 megawatt produsert med en inngangseffekt på 24 megawatt. Men hvis noen klarer å snu den ligningen rundt … Kan du si billig, karbonfri energi?

I motsetning til sin mindre sofistikerte fetter, produserer fusjon ikke radioaktivt avfall. Vannforsyningssyklusen er mindre problematisk enn uranforsyningssyklusen. For å være rettferdig, er de vanligste kildene til hydrogen i dag kull og naturgass, men hydrogen kan i stedet produseres ved elektrolyse.

Fisjon og fusjon er like i to henseender. Begge utnytter konvertering av atomer av et element til atomer av et annet element, og begge ble først brukt som våpen. Fat Man og Little Boy, fission bomber droppet på Hiroshima og Nagasaki i 1945, ga vekk i 1952 til fusjon enheter som Ivy Mike. (Selv om Ivy Mike ikke ble bygget som en bombe, ble det snart etterfulgt av termonuclear warheads mange megatoner i utbytte alle leverbare av interkontinentale raketter.)

Fusjonsbomben ble kjent som en H-bombe av en grunn: Den uovertruffen frigjøring av energi kom fra fusjonen av hydrogenatomer. Fusjonsforskere forsøker å utnytte denne effekten for sivil kraftproduksjon. Viser seg at dette er en utfordring. Hydrogenfusjon på jordens overflate vil kreve temperaturer på over en million grader Celsius. Ved disse temperaturene blir hydrogen og helium et plasma, den fjerde form for materie.

Men hva i helvete er et plasma, uansett?

Kort sagt, et plasma er en ionisert gass. I et plasma oppløses alle molekylære bindinger og elektroner forlater sine vertsatomer. Plasmaer er meget ledende fordi de har en høy ladningsbærertetthet, dvs. elektronene og ionene er fritt til å bevege seg uavhengig av hverandre som svar på et elektrisk felt.

Selv om dette hele høres eksotisk, gjør plasmaer regelmessige fremtoninger i våre liv. Lyset fra lynbolter og neonskilt kommer fra elektroner som rekombinerer med ioner og synker til lavere kvanteforhold, en prosess kjent som spontan utslipp. Noen flammer er varme nok til å ionisere eksosgasser, og plasmafakler, plasmaskjermer og lysbuesveisere bruker alle plasmaer.

Men alle de har ingenting på plasmaet i en fusjonsreaktor. Ved en million grader Celsius er atomer i fusjonsuppe ekstremt energiske. Hvis de ikke er inneholdt, vil de skyte ut, skade apparatet og ikke smelte sammen med hverandre. Uten inneslutning vil du sannsynligvis aldri nå en million grader i utgangspunktet.

Inneslutning er de stor utfordring i fusjonsforskning. Plasmaet må holdes i et begrenset rom og må ikke berøre veggene i fusjonsbeholderen. Unødvendig å si, må fartøyet holdes i høyvakuum. Wendelstein 7-X bruker 65 vakuumpumper for å holde trykket på 0.000000001 millibarer. (Det er 0.000001 Pascals for deg SI-elskere.) Den eneste realistiske måten å begrense en ionisert gass ved helvete temperaturer på, er å holde den i et magnetfelt. Og det er her ting blir veldig vanskelig.

I mange år var den mest populære fusjonsreaktoren design tokamak. I år før super-datamaskiner spilte sjakk, ødelagte mennesker ved Jeopardy og foldede proteiner, kom forskere med klare måter å produsere riktig formet magnetfelt. I en tokamak går en elektrisk strøm gjennom plasmaparene med eksterne elektromagneter for å skape det nødvendige magnetfeltet.

Ikke så i Wendelstein 7-X. Her kommer inneslutningsfeltet helt fra eksterne superledende elektromagneter. Forskningsgruppen brukte en supercomputer for å optimalisere formen på disse magneter og eliminere behovet for en plasmastrøm. Denne stilen av fusjonsreaktor er kjent som en stellarator.

Så langt har ingen bygget en fusjonsreaktor som genererer mer energi enn den forbruker. Selv Wendelstein 7-X, den største stellarator-typen reaktor i verden, ble bygget for forskningsformål, for ikke å generere energi. Men hvis du ønsker å investere dine ønsker i et fusjonsprosjekt, er Wendelstein 7-X et godt sted å starte. Sørg for at du også holder øye med ITER, som er verdens største tokamak.