Mengapa Institut Max Planck Ingin Memasak Plasma di Reaktor Fusi-nya

Tidak ada yang seperti reaktor fusi untuk menghasilkan kegembiraan. Setelah sembilan tahun konstruksi dan € 1 miliar, para ilmuwan di Max Planck Institute of Plasma Physics meluncurkan tes panas pertama perangkat fusi 7-X Wendelstein pada 10 Desember, dan menghasilkan plasma helium yang berlangsung selama sepersepuluh detik. dan mencapai sejuta derajat Celcius. Tapi jangan terlalu bersemangat dulu. Ini hanya langkah menuju persiapan perangkat untuk tujuan sebenarnya: mempelajari fusi nuklir dengan gas hidrogen.

Oke, sekarang Anda terpompa.

Fusion telah lama menjadi anak emas penelitian energi nuklir, menunjukkan fisi nuklir di semua kategori kecuali kelayakan. Fusion menghasilkan jumlah energi yang sangat besar - bagaimanapun, proses yang sama yang mendorong matahari. Tapi kekuatannya membuatnya susah untuk ditangani. Setiap reaktor fusi yang dibangun sejauh ini mengonsumsi lebih banyak daya daripada yang dihasilkannya. Rekor untuk daya fusi ditetapkan pada tahun 1997: 16 megawatt diproduksi dengan daya input 24 megawatt. Tetapi jika seseorang berhasil mengubah persamaan itu … Dapatkah Anda mengatakan energi murah dan bebas karbon?

Tidak seperti sepupunya yang kurang canggih, fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif. Siklus pasokan hidrogen tidak terlalu bermasalah dibandingkan siklus pasokan uranium. Agar adil, sumber hidrogen yang paling umum saat ini adalah batu bara dan gas alam, tetapi hidrogen justru bisa dihasilkan dengan elektrolisis.

Fisi dan fusi sama dalam dua hal. Keduanya mengeksploitasi konversi atom dari satu elemen ke atom elemen lain, dan keduanya pertama kali digunakan sebagai senjata. Fat Man dan Little Boy, bom fisi jatuh di Hiroshima dan Nagasaki pada tahun 1945, memberi jalan pada tahun 1952 ke perangkat fusi seperti Ivy Mike. (Meskipun Ivy Mike tidak dibangun sebagai bom, ia segera diikuti oleh hulu ledak termonuklir banyak megaton yang menghasilkan semua yang dapat disampaikan oleh rudal antarbenua.)

Bom fusi dikenal sebagai bom-H karena suatu alasan: Pelepasan energi yang belum pernah terjadi sebelumnya datang dari fusi atom hidrogen. Peneliti fusi berusaha memanfaatkan efek ini untuk pembangkit listrik sipil. Ternyata ini tantangan. Fusi hidrogen di permukaan bumi akan membutuhkan suhu lebih dari satu juta derajat Celcius. Pada suhu ini, hidrogen dan helium menjadi plasma, bentuk materi keempat.

Tapi apa sih plasma itu?

Singkatnya, plasma adalah gas terionisasi. Dalam plasma, semua ikatan molekul larut dan elektron meninggalkan atom inangnya. Plasma sangat konduktif karena memiliki kerapatan pembawa muatan yang tinggi, yaitu elektron dan ion bebas bergerak independen satu sama lain dalam menanggapi medan listrik.

Meskipun ini semua terdengar eksotis, plasma membuat penampilan reguler dalam hidup kita. Cahaya dari petir dan tanda-tanda neon berasal dari elektron yang bergabung kembali dengan ion dan tenggelam ke keadaan kuantum yang lebih rendah, suatu proses yang dikenal sebagai emisi spontan. Beberapa api cukup panas untuk mengionisasi gas buang, dan obor plasma, layar plasma dan tukang las busur semuanya menggunakan plasma.

Tetapi semua itu tidak memiliki apa-apa pada plasma dalam reaktor fusi. Pada satu juta derajat Celcius, atom-atom dalam sup fusi sangat energik. Jika tidak terkandung, mereka akan lepas landas, merusak peralatan, dan gagal melebur satu sama lain. Tanpa penahanan, Anda mungkin tidak akan pernah mencapai satu juta derajat di tempat pertama.

Penahanan adalah itu tantangan utama dalam penelitian fusi. Plasma harus disimpan dalam ruang terbatas dan tidak boleh menyentuh dinding pembuluh fusi. Tak perlu dikatakan, kapal harus dijaga pada kondisi vakum tinggi. Wendelstein 7-X menggunakan 65 pompa vakum untuk menahan tekanan pada 0,000000001 milibar. (Itu 0,000001 Pascals untuk Anda pecinta SI.) Satu-satunya cara realistis yang digunakan untuk membatasi gas terionisasi pada suhu neraka adalah dengan menahannya di medan magnet. Dan di sinilah segalanya menjadi sangat rumit.

Selama bertahun-tahun, desain reaktor fusi paling populer adalah tokamak. Pada tahun-tahun sebelum komputer super bermain catur, menghancurkan manusia di Jeopardy, dan melipat protein, para ilmuwan menemukan cara-cara cerdas untuk menghasilkan medan magnet yang berbentuk benar. Dalam tokamak, arus listrik yang mengalir melalui pasangan plasma dengan elektromagnet eksternal untuk menciptakan medan magnet yang diperlukan.

Tidak demikian halnya dengan Wendelstein 7-X. Di sini, bidang penahanan sepenuhnya berasal dari elektromagnet superkonduktor eksternal. Tim peneliti menggunakan superkomputer untuk mengoptimalkan bentuk magnet ini dan menghilangkan kebutuhan arus plasma. Gaya reaktor fusi ini dikenal sebagai stellarator.

Sejauh ini, tidak ada yang membangun reaktor fusi yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi. Bahkan Wendelstein 7-X, reaktor tipe stellarator terbesar di dunia, dibangun untuk tujuan penelitian, bukan untuk menghasilkan energi. Tetapi jika Anda ingin menginvestasikan harapan Anda dalam proyek fusi, Wendelstein 7-X adalah tempat yang baik untuk memulai. Pastikan Anda juga mengawasi ITER, yang ditetapkan sebagai tokamak terbesar di dunia.