Kärnfusion är den process som driver solen och alla andra stjärnor. Under fusion, kärnorna i två atomer förs så nära varandra att de smälter samman, frigör enorma mängder energi.

Att replikera denna process på jorden har potential att leverera nästan obegränsad elektricitet med praktiskt taget noll koldioxidutsläpp och större säkerhet, och utan samma nivå av kärnavfall som fission.

Men att bygga vad som egentligen är en ministjärna på jorden och hålla ihop den inuti en reaktor är inte en lätt uppgift. Det kräver enorma temperaturer och tryck och extremt starka magnetfält.

Just nu har vi inte riktigt material som kan motstå dessa extremer. Men forskare som jag arbetar med att utveckla dem, och vi har hittat några spännande saker på vägen.

Tokamaks

Det finns många sätt att innehålla kärnfusionsreaktioner på jorden, men den vanligaste använder en munkformad enhet som kallas en tokamak. Inuti tokamak, bränslena för reaktionen – isotoper av väte som kallas deuterium och tritium – värms upp tills de blir ett plasma. En plasma är när elektronerna i atomerna har tillräckligt med energi för att fly kärnorna och börjar flyta runt. Eftersom den består av elektriskt laddade partiklar, till skillnad från en vanlig gas, det kan finnas i ett magnetfält. Detta innebär att den inte rör reaktorns sidor – istället, den flyter i mitten i en munkform.

När deuterium och tritium har tillräckligt med energi smälter de samman, skapa helium, neutroner och frigör energi. Plasman måste nå temperaturer på 100 miljoner grader Celsius för att stora mängder fusion ska ske – tio gånger varmare än solens centrum. Det måste vara mycket varmare eftersom solen har en mycket högre densitet av partiklar.

Även om det mestadels finns inom ett magnetfält, reaktorn måste fortfarande tåla enorma temperaturer. På Iter, världens största fusionsexperiment, förväntas byggas 2035, den hetaste delen av maskinen skulle nå runt 1, 300 ℃.

Medan plasma mestadels kommer att finnas i ett magnetfält, det finns tillfällen då plasman kan kollidera med reaktorns väggar. Detta kan resultera i erosion, bränsle som implanteras i väggarna och modifieringar av materialegenskaperna.

Utöver de extrema temperaturerna, vi måste också överväga biprodukterna från fusionsreaktionen av deuterium och tritium, som extremt högenergineutroner. Neutroner har ingen laddning så de kan inte hållas kvar av magnetfältet. Det betyder att de slår mot reaktorns väggar, orsakar skada.

Genombrotten

Alla dessa otroligt komplexa utmaningar har bidragit till enorma framsteg inom material genom åren. En av de mest anmärkningsvärda har varit supraledande magneter för hög temperatur, som används av olika fusionsprojekt. Dessa beter sig som supraledare vid temperaturer under kokpunkten för flytande kväve. Även om detta låter kallt, det är högt jämfört med de mycket kallare temperaturer som andra supraledare behöver.

I fusion, dessa magneter är bara några meter bort från de höga temperaturerna inuti tokamak, skapar en enormt stor temperaturgradient. Dessa magneter har potential att generera mycket starkare magnetfält än konventionella supraledare, som dramatiskt kan minska storleken på en fusionsreaktor och kan påskynda utvecklingen av kommersiell fusion.

Vi har en del material som är designade för att klara de olika utmaningarna vi kastar på dem i en fusionsreaktor. De främsta för närvarande är reducerade aktiveringsstål, som har en förändrad sammansättning till traditionella stål så att nivåerna av aktivering från neutronskador minskar, och volfram.

En av de coolaste sakerna inom vetenskapen är att något som initialt ses som en potentiell fråga kan förvandlas till något positivt. Fusion är inget undantag från detta, och ett mycket nischat men anmärkningsvärt exempel är fallet med volframfuzz. Fuzz är en nanostruktur som bildas på volfram när den utsätts för heliumplasma under fusionsexperiment. Ursprungligen betraktades som ett potentiellt problem på grund av rädsla för erosion, det finns nu forskning om icke -fusionsapplikationer, inklusive solvattenklyvning – bryta ner det till väte och syre.

Dock, inget material är perfekt, och det finns flera problem kvar. Dessa inkluderar tillverkning av reducerade aktiveringsmaterial i stor skala och den inneboende sprödheten hos volfram, vilket gör det till en utmaning att arbeta med. Vi måste förbättra och förfina de befintliga materialen vi har.

Utmaningarna

Trots de enorma framstegen inom området för material för fusion, det återstår mycket arbete som måste göras. Huvudfrågan är att vi litar på flera proxyexperiment för att återskapa potentiella reaktorförhållanden, och måste försöka sy ihop dessa data, ofta med mycket små prover. Detaljerat modelleringsarbete hjälper till att extrapolera förutsägelser om materialprestanda. Det skulle vara mycket bättre om vi kunde testa vårt material i verkliga situationer.

Pandemin har haft en stor inverkan på materialforskningen eftersom det har varit svårare att utföra verkliga experiment. Det är verkligen viktigt att vi fortsätter att utveckla och använda avancerade modeller för att förutsäga materialprestanda. Detta kan kombineras med framsteg inom maskininlärning, för att identifiera de nyckelexperiment vi behöver fokusera på och identifiera de bästa materialen för jobbet i framtida reaktorer.

Tillverkningen av nya material har vanligtvis skett i små partier, fokuserar endast på att producera tillräckligt med material för experiment. Går framåt, fler företag kommer att fortsätta arbeta med fusion och det kommer att finnas fler program som arbetar med experimentella reaktorer eller prototyper.

På grund av detta, vi kommer till det stadium där vi behöver tänka mer på industrialisering och utveckling av försörjningskedjor. När vi kommer närmare prototypreaktorer och förhoppningsvis kraftverk i framtiden, Att utveckla robusta storskaliga leveranskedjor kommer att vara en enorm utmaning.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.