Национальная лаборатория Айдахо изучает безопасность термоядерного синтеза и цепочку поставок трития

Национальная лаборатория Айдахо изучает безопасность термоядерного синтеза и цепочку поставок трития

Это крупный план системы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, используемой в Национальной лаборатории Айдахо для измерения химического состава поверхности потенциального материала-кандидата для использования в термоядерном синтезе.

Масаси Шимада занимается исследованием ядерного синтеза с 2000 года, когда он поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Сан-Диего. В настоящее время он является ведущим ученым Центра прикладных исследований безопасности и трития (STAR) в Национальной лаборатории Айдахо, одной из ведущих научно-исследовательских лабораторий федерального правительства.

Поле сильно изменилось.

В начале его карьеры фьюжн часто был предметом шуток, если он вообще обсуждался. «Слияние — это энергия будущего, и так будет всегда», — постоянно слышал Шимада.

Но это меняется. По данным Fusion Industry Association, отраслевой торговой группы, десятки стартапов привлекли почти 4 миллиарда долларов частного финансирования.

Инвесторы и секретарь Министерства энергетики Дженнифер Грэнхольм назвали термоядерную энергию «Святым Граалем» чистой энергии, способной обеспечить почти неограниченную энергию без выброса парниковых газов и без таких же долгоживущих радиоактивных отходов, как ядерное деление. имеет.

Есть целый невероятный урожай новых молодых ученых, работающих в области термоядерного синтеза, и они вдохновлены.

«Если вы поговорите с молодыми людьми, они верят в слияние. У них это получится. У них очень позитивный и оптимистичный настрой», — сказал Шимада.

Со своей стороны, Шимада и его команда в настоящее время проводят исследования по управлению тритием, популярным топливом, которым занимаются многие стартапы в области термоядерного синтеза, в надежде создать в США новую смелую термоядерную промышленность.

«В рамках нового «смелого видения» правительства по коммерциализации термоядерного синтеза обработка и производство трития станут ключевой частью их научных исследований», — сказал CNBC Эндрю Холланд, генеральный директор Ассоциации термоядерной промышленности.

Увеличить значокСтрелки, указывающие наружу

Масаси Симада

Фото предоставлено Национальной лабораторией Айдахо.

Изучение цепочки поставок трития

Синтез — это ядерная реакция, когда два более легких атомных ядра сталкиваются вместе, образуя одно более тяжелое ядро, высвобождая «огромное количество энергии». Так питается солнце. Но управление термоядерными реакциями на Земле — сложный и деликатный процесс.

Во многих случаях топливом для термоядерной реакции служат дейтерий и тритий, обе формы водорода, самого распространенного элемента во Вселенной.

Дейтерий очень распространен и может быть найден в морской воде. По данным Министерства энергетики, если термоядерный синтез будет достигнут в масштабах Земли, в одном галлоне морской воды будет достаточно дейтерия, чтобы произвести столько же энергии, сколько в 300 галлонах бензина.

Однако тритий не распространен на Земле, и его необходимо производить. Шимада и его команда исследователей из Национальной лаборатории Айдахо имеют небольшую лабораторию трития в 55 милях к западу от Айдахо-Фолс, штат Айдахо, где они изучают, как производить изотоп.

«Поскольку тритий недоступен в природе, мы должны его создать», — сказал Шимада CNBC.

В настоящее время большая часть трития, используемого Соединенными Штатами, поступает из национальной ядерной лаборатории Канады, сказал Шимада. «Но мы действительно не можем полагаться на эти запасы. Потому что, если вы используете их, если не перерабатываете, вы практически израсходуете весь тритий», — сказал Шимада. «Поэтому мы должны создавать тритий, пока мы запускаем термоядерный реактор».

По словам Шимады, трития достаточно для поддержки пилотных термоядерных проектов и исследований, но для его коммерциализации потребуются сотни реакторов.

«Вот почему мы должны прямо сейчас инвестировать в технологии тритиевого топливного цикла», чтобы создавать и перерабатывать тритий.

Ученый из Национальной лаборатории Айдахо Чейз Тейлор измеряет химию поверхности потенциального материала для использования в сочетании с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией.

Фото предоставлено Национальной лабораторией Айдахо.

Протоколы безопасности

Тритий радиоактивен, но не так, как топливо для ядерных реакторов деления.

«Радиоактивный распад трития принимает форму слабого бета-излучателя. Этот тип излучения может быть блокирован несколькими сантиметрами воды», — сказал CNBC Джонатан Кобб, представитель Всемирной ядерной ассоциации.

По словам Кобба, период полураспада, или время, необходимое для распада половины радиоактивного материала, составляет около 12 лет для тритума, и когда он распадается, выделяется нерадиоактивный гелий.

Для сравнения, реакция ядерного деления расщепляет уран на такие продукты, как йод, цезий, стронций, ксенон и барий, которые сами по себе радиоактивны и имеют период полураспада от нескольких дней до десятков тысяч лет.

Тем не менее, все еще необходимо изучить поведение трития, поскольку он радиоактивен. В частности, Национальная лаборатория Айдахо изучает, как тритий взаимодействует с материалом, используемым для создания термоядерной машины. Во многих случаях это машина в форме пончика, называемая токамак.

Чтобы произошла реакция синтеза, источники топлива должны быть нагреты до плазмы, четвертого состояния вещества. По словам Шимады, эти реакции происходят при исключительно высоких температурах, достигающих 100 миллионов градусов, что потенциально может повлиять на то, сколько и как быстро тритий может попасть в материал, удерживающий плазму.

Большинство контейнеров для термоядерных реакций изготовлены из специальной нержавеющей стали с тонким слоем вольфрама внутри. «Вольфрам был выбран потому, что он имеет самую низкую растворимость трития во всех элементах периодической таблицы», — сказал Шимада.

Но нейтроны высокой энергии, образующиеся в результате реакции синтеза, могут вызвать радиационное повреждение даже вольфрама.

Увеличить значокСтрелки, указывающие наружу

Здесь, в Национальной лаборатории Айдахо, сотрудник Национальной лаборатории Сандия Роб Коласински работает с перчаточным ящиком для эксперимента с тритиевой плазмой.

Фото предоставлено Национальной лабораторией Айдахо.

Исследование команды предназначено для того, чтобы предоставить компаниям, занимающимся термоядерной промышленностью, набор данных, чтобы выяснить, когда это может произойти, чтобы они могли установить и измерить безопасность своих программ.

«Мы можем провести реакцию синтеза в течение 5-10 секунд, вероятно, не слишком беспокоясь» о материале, который будет использоваться для сдерживания реакции синтеза, сказал Шимада CNBC. Но для производства энергии в промышленных масштабах термоядерная реакция должна поддерживаться при высоких температурах в течение многих лет.

«Цель нашего исследования — помочь разработчикам термоядерных реакторов предсказать, когда накопление трития в материалах и проникновение трития через сосуд достигнет неприемлемого уровня», — сказал Шимада CNBC. «Таким образом, мы можем установить протоколы для нагрева материалов (т. е. отжига) и удаления трития из сосуда, чтобы снизить риск возможного выброса трития в случае аварии».

В то время как Национальная лаборатория Айдахо исследует поведение трития, чтобы установить стандарты безопасности для развивающейся отрасли, его отходы представляют гораздо меньшую проблему, чем сегодняшние ядерные установки, работающие на ядерном топливе. Федеральное правительство более 40 лет изучает, как создать постоянное хранилище для радиоактивных отходов, и до сих пор не придумало решения.

«Слияние не создает никаких долгоживущих радиоактивных ядерных отходов. Это одно из преимуществ термоядерных реакторов по сравнению с ядерными реакторами», — сказал Шимада CNBC.

Ваш адрес email не будет опубликован.