Penghalang Panas Tokamak Hemat Energi Memecahkan ‘Tumit Achilles’ dalam Fusi Nuklir

Para ilmuwan telah mengatasi salah satu “ketidakpastian terbesar” dalam pengoperasian reaktor fusi di masa depan.

Untuk melindungi plasma fusi dari kotoran di dinding reaktor, yang sangat mengurangi efisiensi pembangkitan energi, para peneliti mampu menciptakan lingkungan yang mengoptimalkan penghalang panas tipis yang mengelilinginya.

“Tidak dapat ditekankan betapa pentingnya bahwa plasma mampu, di bawah kondisi yang tepat, untuk secara spontan menunjukkan fenomena ‘penyaringan’ ketidakmurnian ini,” Anthony Field, ilmuwan utama dalam penelitian yang diterbitkan dalam jurnal tersebut. Fusi nuklir pada bulan Januari, diceritakan Minggu berita.

Penemuan ini menunjukkan bagaimana reaksi fusi dapat dibuat lebih efisien di bawah kondisi yang tepat, yang akan menjadi penting dalam pengembangan reaktor fusi nuklir berskala besar di masa depan, termasuk reaktor ITER—yang bertujuan menjadi reaktor fusi terbesar dari jenisnya—yang saat ini sedang dibangun di Prancis.

Apa Itu Fusi Nuklir?

Fusi nuklir adalah teknologi yang menciptakan energi dengan cara yang sama seperti matahari: itu terjadi ketika dua atom didorong bersama dengan kekuatan sedemikian rupa sehingga mereka bergabung menjadi satu atom yang lebih besar dan melepaskan sejumlah besar energi dalam prosesnya.

Berbeda dengan fisi nuklir—reaksi nuklir yang saat ini digunakan di sektor energi—fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif. Ini menghasilkan energi tiga hingga empat kali lebih banyak daripada fisi, seperti yang diperkirakan oleh Departemen Energi AS, dan tidak melepaskan karbon dioksida ke atmosfer, seperti pembakaran bahan bakar fosil. Terlebih lagi, fusi adalah proses yang sangat rapuh yang akan mati dalam sepersekian detik jika kondisi yang benar tidak dipertahankan. Oleh karena itu, tidak ada risiko kehancuran nuklir dari reaksi ini.

Namun, ada satu masalah: fusi membutuhkan energi dalam jumlah besar untuk mencapai kondisi yang diperlukan, dan sejauh ini kami belum berhasil mendapatkan lebih banyak energi secara signifikan dari reaksi fusi daripada yang telah kami masukkan. Di seluruh sektor, fokusnya oleh karena itu membuat reaksi seefisien dan seefisien mungkin untuk meminimalkan limbah dan memaksimalkan perolehan energi.

Terobosan ini dibuat oleh anggota Otoritas Energi Atom Inggris (UKAEA) dan konsorsium EUROfusion yang bekerja di pabrik Joint European Torus (JET) di Oxfordshire di Kampus Culham UKAEA.

Pabrik menggunakan mesin yang disebut toroidal tokamak, alat berbentuk donat yang menggunakan magnet kuat untuk menampung aliran plasma super panas seperti cincin.

​​Plasma adalah wujud materi berikutnya setelah padatan, cairan, dan gas. Itu seperti nyala api tetapi jauh lebih panas. Plasma terbentuk pada suhu super tinggi dan pada dasarnya merupakan sup elektron bermuatan negatif dan ion bermuatan positif dari unsur-unsur yang telah dipisahkan oleh suhu yang sangat panas.

Rasa peleburan yang digunakan di pabrik JET melibatkan atom hidrogen yang dipukul bersama-sama sampai melebur (walaupun metode peleburan yang berbeda dapat menggunakan unsur yang berbeda dalam reaksi ini).

Atom hidrogen standar Anda mengandung satu partikel bermuatan positif, yang disebut proton, dan satu partikel bermuatan negatif, elektron. Ketika atom hidrogen dipanaskan menjadi plasma, mereka ditarik terpisah dari elektronnya dan menjadi partikel bermuatan positif, yang disebut ion, yang saling tolak.

Menahan Suhu Intens

Di matahari, gaya gravitasi yang kuat menciptakan tekanan yang sangat tinggi yang mengatasi tolakan ini. Tetapi tekanan setinggi itu hampir tidak mungkin ditiru di Bumi. Oleh karena itu, kita harus memanaskan plasma ke suhu yang lebih tinggi—dalam kasus JET, hingga 10 kali lebih panas dari pusat matahari—agar partikel-partikel ini benar-benar melebur.

Untuk menahan suhu yang intens ini, logam yang digunakan untuk melapisi dinding bagian dalam mesin harus memiliki titik leleh yang sangat tinggi. Bagian reaktor yang bersentuhan langsung dengan plasma disebut divertor, yang mirip dengan sistem pembuangan untuk ruang reaksi. Komponen mesin inilah yang harus paling tahan terhadap suhu tinggi plasma fusi.

“Tungsten digunakan sebagai bahan untuk target divertor […] karena memiliki titik leleh tertinggi dari semua logam, pada 3.400 C [6,152 F],” kata Field, fisikawan senior di UKAEA.

Namun, tungsten memiliki masalahnya sendiri, yang digambarkan sebagai “tumit Achilles” oleh UKAEA: ketika plasma panas dibiarkan berinteraksi dengan dinding divertor, tungsten dapat kehilangan sebagian elektronnya dan tersapu dalam plasma.

Karena atom tungsten sangat berat—setiap atom mengandung 74 proton dan 74 elektron—sangat sulit untuk melepaskan semua elektronnya. Ini menjadi masalah karena elektron yang tetap terikat pada tungsten dapat mengambil energi dari elektron dalam plasma, yang membuat keseluruhan proses jauh lebih sulit untuk dipertahankan. Dan, jika lebih sulit untuk dipertahankan, itu membahayakan kemampuan untuk mendapatkan energi yang cukup dari reaksi untuk melebihi jumlah yang telah dimasukkan.

“Jika ada lebih dari sejumlah kecil tungsten dalam plasma terbatas, maka tidak mungkin untuk bertahan [the reaction],” kata Padang.

Ini dapat dihindari jika penghalang diproduksi di sekitar bagian luar plasma, yang dapat mencegah kotoran tungsten masuk ke dalam.

Beberapa dekade yang lalu, dihipotesiskan bahwa penurunan suhu yang ekstrim antara inti plasma dan dinding pengalih akan dapat bertindak sebagai semacam “penghalang panas” untuk melindungi plasma dari jenis kontaminasi ini. Sekarang, Field dan timnya telah menunjukkan bahwa teori tersebut benar-benar bekerja dalam praktiknya, pada penghalang panas yang terbentuk di sekitar tepi plasma.

“Karena fenomena penyaringan pengotor ini telah diprediksi tetapi tidak pernah diamati sebelumnya dalam tokamak aktual di tepi plasma, penemuan ini menjadi kejutan yang sangat menarik,” kata Field.

“Pengamatan ini meredakan kekhawatiran kami tentang salah satu ketidakpastian terbesar seputar pengoperasian reaktor fusi tokamak di masa depan,” tambahnya.

“Penghalang panas adalah lapisan isolasi tipis dari aliran yang sangat terpotong sekitar 2 hingga 3 sentimeter [roughly an inch] seberang, yang terbentuk tepat di dalam tepi plasma. Mekanismenya analog dengan cara ‘Jet Stream’ di atmosfer bagian atas mencegah pusaran udara yang lebih dingin dari daerah Arktik bergerak turun ke zona beriklim sedang dan sebaliknya.”

Agar penghalang panas ini dapat menyaring kotoran secara efektif, harus ada perbedaan suhu yang cukup besar antara plasma terbatas dan tepi plasma, yang menurut Field “setara dengan 22 juta derajat Celcius melintasi ketebalan jendela berlapis tiga!”

Field mengatakan bahwa konfirmasi hipotesis ini merupakan langkah penting menuju “Holy Grail” pembangkit listrik fusi.

Metode ini diujicobakan sebagai bagian dari rangkaian eksperimen yang memungkinkan JET memecahkan rekor dunia untuk energi fusi berkelanjutan pada Februari 2022, dengan 59 megajoule fusi berkelanjutan dihasilkan selama periode 5 detik.

Sementara tungsten tidak digunakan di semua reaktor fusi nuklir, demonstrasi ini merupakan dorongan besar bagi industri fusi nuklir secara keseluruhan. “Setiap tantangan yang diatasi adalah langkah lain menuju tujuan kolektif kita untuk energi fusi yang bersih dan tak terbatas bagi dunia,” kata Steven McNamara, direktur sains Tokamak di Tokamak Energy, perusahaan fusi lain yang menggunakan magnet untuk mendukung proses fusi. Minggu berita. “Kami mengucapkan selamat kepada tim UKAEA dan EUROfusion atas hasil ini, dan akan menerapkan setiap pembelajaran yang relevan untuk perangkat masa depan Tokamak Energy.”

Tes skala kecil di JET ini dilakukan untuk mengoptimalkan efisiensi mesin tokamak terbesar di dunia, ITER, di Prancis yang saat ini sedang dibangun. ITER diperkirakan akan memproduksi plasma pertamanya pada akhir tahun 2025, dengan operasi skala penuh mulai tahun 2035, menurut situs web ITER.

Apakah Anda memiliki tip tentang cerita sains itu Minggu berita harus menutupi? Apakah Anda memiliki pertanyaan tentang fusi nuklir? Beri tahu kami melalui [email protected].