Op een dag in augustus 2023 brak er nieuws uit in alle belangrijke sectoren: de Chinese kunstmatige zon "Gyre 3" kon voor het eerst onder hoge beperkingen werken onder een plasmastroom van 1 miljoen ampère, wat een belangrijk monument is voor de beheersbare kernfusiecarrière van mijn land. "Gyre 3" past een soort magnetische opsluitingsfusie toe, wat betekent dat de brandstof eerst wordt verwarmd om er een plasmavorm van te maken, en vervolgens wordt het magnetische veld gebruikt om de geladen deeltjes in het hoogverhitte plasma vast te houden, waardoor deze in een spiraal beweegt, waardoor het plasma verder wordt verwarmd totdat een kernfusiereactie optreedt.
Om het bot te zeggen: het bereiken van een werking met hoge beperkingen onder de 1 miljoen A keer plasmastroom is als het ontwikkelen van een gouden hoepel voor Sun Wukong. Door de aanscherpende vloek op te zeggen, kan Sun Wukong goede daden verrichten in plaats van opzettelijke dingen.
Wereldwijd zijn er veel manieren om magnetische fusie-opsluiting te bereiken. Bijvoorbeeld de ringmagneetmachine, ook wel tokamak genoemd. Het werkt door een elektrisch veld dat wordt veroorzaakt door een transformator die een stroom (grote rode pijl) door een plasmakolom drijft, waardoor een poloïdaal magnetisch veld ontstaat dat de plasmastroom in een cirkel buigt (groene verticale cirkel). Door de plasmakolom in een cirkel te buigen, wordt lekkage voorkomen, en door dit in een donutvormige container te doen ontstaat er een vacuüm. Het andere magnetische veld dat de lengte van de cirkel omringt, wordt het torusvormige magnetische veld genoemd (groene horizontale cirkel). De twee velden vormen samen een driedimensionale curve die lijkt op een spiraalvormige structuur (zwart weergegeven) waarin het plasma in hoge mate opgesloten is. Om het bot te zeggen: het is als een ezel die een molen voorttrekt. De ezel zal altijd rond de molensteen cirkelen en vervolgens output produceren door de rotatie van de molensteen.
Het hierboven genoemde plasma verwijst naar de toestand van gas bij extreem hoge temperaturen. In een plasma worden elektronen van atomen ontdaan. Van atomen die elektronen hebben verloren die rond de kern draaien, wordt gezegd dat ze zich in een geïoniseerde toestand bevinden en ionen worden genoemd. Daarom bestaat plasma uit ionen en vrije elektronen. Plasma heeft een vrijwel perfecte geleidbaarheid en zal onder invloed van een magnetisch veld verschillende driedimensionale structuren vertonen, zoals filamenten, cilinders en dubbele lagen. Magnetische velden kunnen ook worden gebruikt om verschillende plasma's op te vangen, te verplaatsen en te versnellen. Hetzelfde geldt voor Sun Wukong. Hij werd verbrand in de alchemieoven van Taishang Laojun met doordringende ogen en gouden ogen. Toen hij naar buiten kwam, kon hij in één oogopslag door de witte bottengeest heen kijken.
Over het algemeen is de meest gebruikte eenheid bij kernfusie megawatt, oftewel MW. In 1991 voerde de Europese Joint Ring Fusion Reactor bijvoorbeeld voor het eerst gecontroleerde fusie uit, waarbij ongeveer 1,7 MW elektriciteit werd geproduceerd. Hoewel het slechts twee seconden duurt, is het een van de belangrijkste onderdelen in de geschiedenis van menselijke schone energie. In het originele nieuwsartikel zien we echter alleen de eenheid van stroom (Ampère), terwijl megawatt het product is van stroom en spanning. Dit betekent dat wat "Gyre Current No. 3" momenteel implementeert voornamelijk een controlemethode is, die kan worden omgezet in energieopwekking na het invoeren van spanning, dat wil zeggen reactorontsteking. Dit is de reden waarom het wordt vergeleken met de gouden hoepel van Sun Wukong.
Om een ongepast voorbeeld te geven: zelfs als een gewone AA-batterij is aangesloten op "Hybrid 3", kan de stroomopwekking 1,2 MW bereiken. Een verkapte verklaring voor het goudgehalte van hoge opsluiting van 1 miljoen ampère plasma.
Onderzoek en ontwikkeling op weg naar leren
In november 2006 ondertekenden China, de Europese Unie en zeven andere partijen een overeenkomst om het International Thermonuclear Fusion Experimental Reactor Program te lanceren. Dit plan wordt gepromoot door ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), waarin de belangrijkste wetenschappelijke en technologische prestaties van kernfusie met gecontroleerde magnetische opsluiting in de wereld van vandaag worden geïntegreerd en een groot aantal technische problemen wordt opgelost. In 2007 begon Frankrijk met de bouw van een tokamak van 500 MW.
In de machine wordt het plasma verwarmd tot 150 miljoen graden Celsius, tien keer heter dan de kern van de zon, om kernfusiereacties uit te voeren. Daarentegen ligt de temperatuur van de supergeleidende magneten in de machine onder de min 269 graden Celsius. Voor deze tokamak zijn in totaal ongeveer 10 miljoen onderdelen nodig, die vanuit de hele wereld naar de ITER-bouwplaats worden gebracht. Wat is het concept van 150 miljoen graden Celsius? Volgens de interpretatie van "Reis naar het Westen" door latere generaties is Red Boy's Samadhi True Fire slechts vier- of vijfduizend graden Celsius. De temperatuur van de reactor is gelijk aan 300.000 Red Boy aan elkaar gebonden.
Volgens het laatste rapport van ITER is de machine voor 50% geassembleerd en zal deze in december 2025 de eerste operationele fase ondergaan. Zodra deze machine perfect werkt, zullen alle fossiele brandstoffen ter wereld worden vervangen door schone energie.
Maar net zoals beschreven in "Reis naar het Westen", beschikt Sun Wukong over enorme bovennatuurlijke krachten en grenzeloze magische kracht. Het is ook de droom van een dwaas om te proberen hem vast te binden met slechts een kleine gouden hoepel. Als we de meest basale ontsteking als voorbeeld nemen: als de reactortemperatuur niet boven de 100 miljoen graden Celsius kan worden gebracht, zal de reactor niet reageren. Momenteel is de belangrijkste verwarmingsmethode ohmse verwarming, waarbij gebruik wordt gemaakt van hoogfrequente ontlading om neutraal waterstof te ioniseren om een koud plasma te vormen dat wordt verwarmd door de stroom van een groot poloïdaal magnetisch veld dat langs de toroïdale spoel wordt gegenereerd. Hoewel hierboven vermeld is dat plasma een vrijwel perfecte geleidbaarheid heeft, heeft het ook een zekere weerstand en zal er nog steeds warmte worden gegenereerd als er stroom doorheen gaat. De soortelijke weerstand van plasma neemt echter scherp af naarmate de elektronentemperatuur stijgt, waardoor de vermogensdichtheid van ohmse verwarming ook scherp daalt, wat het gebruik van ohmse verwarming beperkt.
Een andere methode is de hoogenergetische, neutrale deeltjesbundelinjectie-verwarmingsmethode, een verwarmingsmethode die voornamelijk in tokamak wordt gebruikt. De neutrale deeltjesbundel die wordt gebruikt voor plasmaverwarming is over het algemeen een hoogenergetische neutrale neonatoombundel. De hoogenergetische neutrale deeltjes worden niet beïnvloed door het magnetische veld in het fusieapparaat en kunnen direct in het centrale gebied van het plasma worden geïnjecteerd. Zodra de neutrale atomen het plasma binnenkomen, worden ze onmiddellijk geïoniseerd tot ionen via het proces van ladingsuitwisseling en botsing. Deze hoogenergetische ionen worden opgevangen door het magnetische veld en passeren vervolgens een Coulomb-botsing met het oorspronkelijke plasma. Er wordt energie aan het plasma gegeven om het doel van verwarming te bereiken.
De efficiëntie van de hoogenergetische ionenbundel in de ionenbron om elektronen op te vangen en deze in neutrale deeltjesbundels in de geneutraliseerde gaskamer om te zetten, neemt echter scherp af naarmate de energie van de deeltjes toeneemt. Als een negatieve ionenbundel uit de ionenbron wordt getrokken, neemt de efficiëntie van het omzetten van negatieve ionen in neutrale deeltjes niet significant af naarmate de energie toeneemt. Dit komt omdat het veel gemakkelijker is om overtollige elektronen van negatieve ionen te scheiden, dus een negatieve ionenbron met hoog vermogen is vereist.
Bovendien is een belangrijke beperking van de verwarmingsefficiëntie van de neutrale straal de aanwezigheid van koolstof- en zuurstofverontreinigingen als gevolg van de absorptie van gas door de spiraalwand. De concentratie koolstof en zuurstof kan 1% bereiken. De ladingsuitwisseling tussen de neutrale straal en deze onzuiverheden produceert sterk aangeslagen koolstofionen en zuurstofionen, die energie verliezen als gevolg van hun lineaire straling, wat resulteert in een plotselinge afname van de verwarmingsefficiëntie.
Net zoals je eenentachtig moeilijkheden moet overwinnen om van de ervaring te leren, heeft de nucleaire industrie van mijn land, ondanks de moeilijkheden op de weg naar beheersbare fusie, sinds 1980 al belangrijke onderzoeksresultaten op veel terreinen geboekt. Vanwege de bovengenoemde voordelen van tokamak besteedt de Chinese fusieonderzoeksgemeenschap al tientallen jaren aandacht aan tokamak-plasma. Van 1980 tot het midden van de jaren negentig werden kleine en middelgrote tokamak-apparaten zoals HT-6B, HT-6M, HL- en HL-1M ontwikkeld.
In 1994 en 2002 bouwde mijn land, op basis van apparatuur geleverd door Rusland (T-7 Tokamak) en Duitsland (ASDEX Tokamak), HT-7 en HL-2A bij respectievelijk het Asian Institute of Scientific Physics en SWIP, waarmee China het vierde land werd dat in staat was supergeleidende tokamak te ontwikkelen. Het is precies hierdoor dat China 's werelds eerste Tokamak-EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, kortweg EAST) heeft gebouwd. EAST is 's werelds eerste volledig supergeleidende tokamak met bovenste en onderste omleiders. Het is ontworpen om te werken in de modus met lange puls, stabiele toestand en hoge beperking, en heeft een ontlading van 101 seconden met hoge beperking bereikt. EAST wordt een van de belangrijkste tokamak-apparaten ter wereld en kan krachtige, lange-puls-bedrijfsscenario's bieden voor toekomstige apparatuur (waaronder ITER en CFETR).
Wat de Chinese fusie-onderneming op het gebied van magnetische opsluiting betreft, is EAST slechts de eerste stap. Vervolgens zal ons land een langepulsmodus met hoge beperkingen en een stabiele werking van moderne verwarming en stroomaandrijving en -diagnose realiseren; via HL-2M zullen we hoogwaardige plasmafysica bestuderen onder een hoog hulpverwarmingsvermogen. De volgende stap is het ontwikkelen van sleuteltechnologieën gerelateerd aan ITER en CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). 'Niet alle zwervers zijn de weg kwijt.' De vier meesters en discipelen van Tang Monk hadden duidelijke richtlijnen en kwamen uiteindelijk aan bij de Leiyin-tempel om de ware Schrift te verkrijgen.
De bouw van de CFETR zal naar verwachting in de jaren 2030 voltooid zijn. Het CFETR-operatieplan is verdeeld in twee fasen. Het doel van de eerste fase is het realiseren van een fusievermogen van 100-200 MW. In deze fase zullen steady-state-operaties en de zelfvoorziening van tritium worden onderzocht als aanvulling op ITERQ=10-operaties. Q=10 is een van de doelstellingen van ITER, wat inhoudt dat er tien keer zoveel energie wordt teruggegeven in het plasma.
De tweede fase zal naar verwachting in de jaren 2040 voltooid zijn. Op dat moment zal ook de Tokamak CFETR met een fusievermogen van 1GW worden gedemonstreerd. Het prototype van de fusie-energiecentrale (PFPP) zal naar verwachting rond 2060 worden gebouwd, wat de laatste stap is in China's fusieroutekaart naar magnetische opsluiting om een commerciële fusie-energiecentrale op te zetten. Vanuit het perspectief van vandaag is 2060 minder dan 40 jaar verwijderd, en het wachten is nog lang. Maar op het gebied van de beheersbare fusie ontwikkelt de Chinese fusie-industrie met magnetische opsluiting zich snel.
Hoofdkantoor voor de ontwikkeling van kernenergie in Azië
Vanuit het perspectief van de opwekking van kernsplijtingsenergie zijn er momenteel 9.242 grote bedrijven in de Chinese kernenergiesector. Het aantal geregistreerde bedrijven in 2021 bedraagt 2.327, en in 2022 zijn er 1.675 kernenergiebedrijven geregistreerd. Het bewijst ook dat de kernenergie-industrie van mijn land zich de afgelopen twee jaar zeer snel heeft ontwikkeld. Opgemerkt moet worden dat de kernenergieopwekking van mijn land slechts 5% van de totale energieopwekking voor zijn rekening neemt, terwijl in andere ontwikkelde landen, zoals Rusland en het Verenigd Koninkrijk, hun kernenergieopwekking respectievelijk 19,6% en 14,2% van de totale energieopwekking voor haar rekening neemt. Het is waar dat ons land inderdaad veel grote doorbraken heeft geboekt op het gebied van beheersbare fusie, maar als we een werkelijk koolstofarme en emissiearme schone energiemaatschappij willen bereiken, is de commercialisering van de aansluiting op het kernenergienet ook een schakel die niet kan worden genegeerd.
Het gebruik van fusiecentrales zou de gevolgen voor het milieu van de toegenomen vraag naar elektriciteit in de wereld aanzienlijk kunnen verminderen, omdat ze, net als de opwekking van kernsplijting, geen zure regen of het broeikaseffect veroorzaken. Gegeven de gemakkelijke beschikbaarheid van de brandstof kan fusie-energie gemakkelijk voldoen aan de energiebehoeften die gepaard gaan met aanhoudende economische groei. Er bestaat geen gevaar dat de fusiereactie uit de hand loopt. Zodra de reactie uit de hand loopt, gebeurt er immers niets. Hoewel fusie geen radioactieve producten met een lange levensduur oplevert en de onverbrande gassen ter plaatse kunnen worden geborgen, zullen er op de korte tot middellange termijn nog steeds problemen met radioactief afval bestaan als gevolg van de activering van structurele materialen. Als gevolg van bombardementen door hoogenergetische neutronen worden sommige samenstellende materialen tijdens de levensduur van de reactor radioactief en worden ze uiteindelijk radioactief afval. Uiteraard is dit ook een belangrijk aspect waarmee rekening moet worden gehouden bij de commercialisering van de opwekking van kernfusie-energie.
PFPP zal de eerste stap zijn in de commercialisering van kernfusie in China. Na "Gyres-3" komen er "Gyres-4" en "Gyres-5". Elk apparaat zal voor een aantal doorbraken zorgen en uiteindelijk de situatie realiseren waarin de schone kernfusie-energie van mijn land de traditionele niet-hernieuwbare koolstofenergie kan vervangen.