VK se Fusion Energy-program: Konsepontwerp vir die STEP-prototipe-kragstasie onthul 

VK se benadering tot samesmelting-energie-produksie het vorm gekry met die aankondiging van STEP (Sferiese Tokamak vir Energieproduksie)-program in 2019. Sy eerste fase (2019-2024) het tot 'n einde gekom met die vrystelling van 'n konsepontwerp vir die geïntegreerde samesmelting-prototipe kragbron. Dit sal gebaseer wees op die gebruik van magnetiese veld vir die beperking van plasma met behulp van tokamak-masjien, maar die VK se STEP sal 'n sferiese tokamak gebruik in plaas van tradisionele donutvormige tokamak wat by ITER gebruik word. Daar word vermoed dat 'n sferiese tokamak verskeie voordele het. Die aanleg sal in Nottinghamshire gebou word en sal na verwagting in die vroeë 2040's in werking wees.  

Die behoefte aan 'n betroubare bron van skoon energie om te voldoen aan die groeiende vraag na energie van groeiende bevolking en wêreldekonomie wat vinnig kan help om uitdagings die hoof te bied (wat gestel word deur uitputbare fossielbrandstowwe, koolstofvrystelling en klimaatsverandering, omgewingsrisiko's verbonde aan kernsplytingsreaktore, en swak skaalbaarheid van hernubare bronne) is nog nooit so intens gevoel as in die huidige tyd nie.  

In die natuur dryf kernfusie sterre, insluitend ons son, aan wat in die kern van die sterre plaasvind waar samesmeltingstoestande (nl. uiters hoë temperatuur in die reeks van honderde miljoen grade Celsius en druk) heers. Die vermoë om beheerde samesmeltingstoestande op aarde te skep, is die sleutel tot onbeperkte skoon energie. Dit behels die bou van 'n samesmeltingsomgewing met 'n baie hoë temperatuur om hoë-energie botsings uit te lok, wat voldoende plasmadigtheid het om die waarskynlikheid van botsings te verhoog en wat plasma vir 'n voldoende tydsduur kan beperk om samesmelting moontlik te maak. Uiteraard is infrastruktuur en tegnologie om oorverhitte plasma te beperk en te beheer die sleutelvereiste vir kommersiële ontginning van samesmeltingsenergie. Verskillende benaderings word regoor die wêreld ondersoek en toegepas vir plasmabeperking vir kommersiële realisering van samesmeltingsenergie.   

Inertial Confinement Fusion (ICF) 

In traagheidsamesmeltingbenadering word samesmeltingstoestande geskep deur 'n klein hoeveelheid samesmeltingsbrandstof vinnig saam te druk en te verhit. Die National Ignition Facility (NIF) by Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gebruik lasergedrewe implosietegniek om kapsules gevul met deuterium-tritium brandstof te implodeer deur hoë-energie laserstrale te gebruik. NIF het eers in Desember 2022 samesmeltingontsteking behaal. Vervolgens is samesmeltingontsteking by drie geleenthede in 2023 gedemonstreer wat bewys van konsep bevestig dat beheerde kernfusie ontgin kan word om aan energiebehoeftes te voldoen.  

Magnetiese inperking van plasmabenadering  

Die gebruik van magnete om plasma vir samesmelting te beperk en te beheer, word op baie plekke probeer. IITER, die mees ambisieuse samesmelting-energie-samewerking van 35 nasies gebaseer in St. Paul-lez-Durance in die suide van Frankryk, gebruik 'n ringtorus (of doughnut magnetiese toestel) genaamd tokamak wat ontwerp is om fusiebrandstof vir lang periodes te beperk by hoë genoeg temperature vir samesmelting ontsteking plaasvind. Tokamaks, 'n toonaangewende plasmabeperkingskonsep vir samesmeltingskragsentrales, kan samesmeltingsreaksie aan die gang hou solank daar plasmastabiliteit is. ITER se tokamak sal die wêreld se grootste wees.   

VK se STAP (Sferiese Tokamak vir Energieproduksie) Fusieprogram: 

Soos ITER, is die STEP-fusieprogram van die Verenigde Koninkryk gebaseer op magnetiese inperking van plasma met behulp van tokamak. Die tokamak van STEP-program sal egter sferies gevorm word (in plaas van ITER se donutvormig). ’n Sferiese tokamak is kompak, koste-effektief en kan makliker skaal word.  

STEP-program is in 2019 aangekondig. Sy eerste fase (2019-2024) het tot 'n einde gekom met die vrystelling van 'n konsepontwerp vir die geïntegreerde samesmelting-prototipe kragbron.  

'n Tema-uitgawe van Philosophical Transactions A van die Royal Society, getiteld " Delivering Fusion Energy – The Sferical Tokamak for Energy Production (STEP) ", wat 15 eweknie-geëvalueerde artikels bevat, is op 26 Augustus 2024 gepubliseer en beskryf die tegniese vordering van die program om die VK se eerste prototipe-aanleg te ontwerp en te bou om elektrisiteit uit fusie op te wek. Die artikels gee 'n volledige oorsig van die ontwerp en skets tegnologieë wat benodig word en hul integrasie in 'n prototipe-aanleg teen die vroeë 2040's.

Die STEP-program het ten doel om die weg te baan vir die kommersiële lewensvatbaarheid van samesmelting deur netto energie, brandstofselfvoorsiening en 'n lewensvatbare roete na aanleginstandhouding te demonstreer. Dit neem 'n holistiese benadering om 'n ten volle operasionele prototipe-aanleg te lewer wat ook ontmanteling as deel van die ontwerp beskou. 

*** 

Verwysings:  

1. Britse regering. Persverklaring - Verenigde Koninkryk lei die wêreld in die ontwerp van samesmeltingkragsentrales. Gepubliseer 03 September 2024. Beskikbaar by https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design  

2. 'Lewering van Fusie-energie – Die Sferiese Tokamak vir Energieproduksie (STAP). Die tema Royal Society-uitgawe van Philosophical Transactions A,. Al 15 eweknie-geëvalueerde artikels in die tema-uitgawe gepubliseer op 26 Augustus 2024. Beskikbaar by https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280  

3. Britse navorsers onthul 'n blik op ontwerpe vir 'n nuwe samesmeltingskragstasie. Wetenskap. 4 September 2024. DOI:  https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a 

*** 

Verwante artikels  

• Brown Dwarfs (BD's): James Webb-teleskoop identifiseer kleinste voorwerp wat op 'n steragtige manier gevorm is (5 Januarie 2024) 

• 'Fusion Ignition' het vierde keer by Lawrence Laboratory gedemonstreer (20 Desember 2023) 

• Fusion Ignition word 'n Realiteit; Energie-gelykbreekpunt bereik by Lawrence Laboratorium  (15 Desember 2022)  

***