Koreansk kärnfusionsreaktor uppnår 100 miljoner °C under 30 sekunder

Ett ihållande, stabilt experiment är den senaste demonstrationen av att kärnfusion går från att vara ett fysikproblem till ett tekniskt problem

Fysik


7 september 2022

Fusionsreaktor

Korea Superconducting Tokamak Advanced Research experiment

Korea Institute of Fusion Energy

En kärnfusionsreaktion har varat i 30 sekunder vid temperaturer över 100 miljoner°C. Även om varaktigheten och temperaturen enbart inte är rekord, tar den samtidiga uppnåendet av värme och stabilitet oss ett steg närmare en livskraftig fusionsreaktor – så länge den använda tekniken kan skalas upp.

De flesta forskare är överens om att livskraftig fusionskraft fortfarande är decennier borta, men de stegvisa framstegen i förståelse och resultat fortsätter att komma. Ett experiment som genomfördes 2021 skapade en reaktion som var tillräckligt energisk för att vara självförsörjande, konceptuella konstruktioner för en kommersiell reaktor håller på att utarbetas, medan arbetet fortsätter med den stora experimentella fusionsreaktorn ITER i Frankrike.

Nu Yong-Su Na vid Seoul National University i Sydkorea och hans kollegor har lyckats köra en reaktion vid de extremt höga temperaturer som kommer att krävas för en livskraftig reaktor, och hålla det varma, joniserade tillståndet av materia som skapas i enheten stabilt i 30 sekunder.

Att kontrollera denna så kallade plasma är avgörande. Om det vidrör reaktorns väggar kyls det snabbt, vilket kväver reaktionen och orsakar betydande skada på kammaren som håller den. Forskare använder normalt olika former av magnetiska fält för att innehålla plasman – vissa använder en kanttransportbarriär (ETB), som skulpterar plasma med ett skarpt tryckavskärning nära reaktorväggen, ett tillstånd som stoppar värme och plasma att strömma ut. Andra använder en intern transportbarriär (ITB) som skapar högre tryck närmare plasmats mitt. Men båda kan skapa instabilitet.

Nas team använde en modifierad ITB-teknik vid Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-enheten, vilket uppnådde en mycket lägre plasmadensitet. Deras tillvägagångssätt tycks öka temperaturen i plasmans kärna och sänka dem vid kanten, vilket förmodligen kommer att förlänga livslängden för reaktorkomponenter.

Dominic Power vid Imperial College London säger att för att öka energin som produceras av en reaktor kan man göra plasma riktigt varm, göra den riktigt tät eller öka inneslutningstiden.

“Det här teamet upptäcker att densitetsbegränsningen faktiskt är lite lägre än traditionella driftlägen, vilket inte nödvändigtvis är en dålig sak, eftersom det kompenseras av högre temperaturer i kärnan”, säger han. “Det är definitivt spännande, men det finns en stor osäkerhet om hur väl vår förståelse av fysiken kan anpassas till större enheter. Så något som ITER kommer att bli mycket större än KSTAR”.

Na säger att låg densitet var nyckeln, och att “snabba” eller mer energiska joner i plasmans kärna – så kallad fast-ion-regulated enhancement (FIRE) – är en integrerad del av stabiliteten. Men teamet förstår ännu inte till fullo de involverade mekanismerna.

Reaktionen stoppades efter 30 sekunder endast på grund av begränsningar med hårdvara, och längre perioder bör vara möjliga i framtiden. KSTAR har nu stängt av för uppgraderingar, med kolkomponenter på väggen i reaktorn som ersätts med volfram, vilket Na säger kommer att förbättra reproducerbarheten av experiment.

Lee Margetts vid University of Manchester, Storbritannien, säger att fusionsreaktorernas fysik håller på att bli väl förstådd, men att det finns tekniska hinder att övervinna innan ett fungerande kraftverk kan byggas. En del av det kommer att vara att utveckla metoder för att ta bort värme från reaktorn och använda den för att generera elektrisk ström.

“Det är inte fysik, det är ingenjörskonst”, säger han. “Om du bara tänker på det här ur synvinkeln av ett gaseldat eller ett koleldat kraftverk, om du inte hade något att ta bort värmen, då skulle de som driver det säga” vi måste byta det avstängs för att det blir för varmt och det kommer att smälta kraftverket, och det är precis läget här.”

Brian Appelbe vid Imperial College London håller med om att de vetenskapliga utmaningarna som finns kvar inom fusionsforskningen borde kunna uppnås och att FIRE är ett steg framåt, men att kommersialisering kommer att bli svår.

“Den magnetiska inneslutningsfusionsmetoden har en ganska lång historia av att utvecklas för att lösa nästa problem som den stöter på”, säger han. “Men det som gör mig lite nervös, eller osäker, är de tekniska utmaningarna med att faktiskt bygga ett ekonomiskt kraftverk baserat på detta.”

Journalreferens: Natur, DOI: 10.1038/s41586-022-05008-1

Mer om dessa ämnen:

Leave a Comment

Your email address will not be published.