Vuosisatojen ajan ihmiset ovat uneksineet hyödyntää auringon voimaa voimistaa elämäämme täällä maan päällä. Mutta haluamme mennä pidemmälle kuin aurinkoenergian kerääminen, ja eräänä päivänä synnyttämme oman minivalon. Jos pystymme ratkaisemaan erittäin monimutkaisia ​​tieteellisiä ja teknisiä ongelmia, fuusioenergia lupaa a vihreä, turvallinen ja rajoittamaton energialähde. Oikealta yksi kilogramma deuteriumia, joka on uutettu vedestä päivässä voisi saada tarpeeksi sähköä satojen tuhansien koteihin.

Koska 1950s on ollut tieteellinen ja tekninen tutkimus saavutettu valtava edistys kohti vetyatomien pakottamista sulautumaan yhteen itsekestävään reaktioon - sekä a pieni, mutta osoitettavissa oleva määrä fuusioenergiaa. Skeptikot ja kannattajat panee merkille kaksi tärkeintä jäljellä olevaa haastetta: reaktioiden ylläpitäminen pitkiä aikoja ja materiaalirakenteen kehittäminen fuusioenergian hyödyntämiseksi sähköä varten.

Fuusio - tutkijoina Princeton Plasma Physics LabTiedämme, että realistisesti ensimmäinen kaupallinen fuusiovoimala on edelleen vähintään 25-vuotta. Mutta sen suurten hyötyjen mahdollisuus päästä tämän vuosisadan toiselle puoliskolle tarkoittaa, että meidän on jatkettava työskentelyä. Fuusion toteuttamiskelpoisuuden tärkeimmät demonstroinnit voidaan toteuttaa aikaisemmin - ja niiden on oltava niin, että fuusiovoima voidaan sisällyttää energia-alan tulevaisuuden suunnitteluun.

Toisin kuin muut sähköntuotantomuodot, kuten aurinko, maakaasu ja ydinfissio, fuusiota ei voida kehittää pienoiskoossa ja sitten yksinkertaisesti laajentaa. Kokeelliset vaiheet ovat suuria ja niiden rakentaminen vie aikaa. Mutta runsaan, puhtaan energian ongelma on a suuri kehotus ihmiskunnalle seuraavan vuosisadan ja sen jälkeen. Olisi typerää olla hyödyntämättä täysin tätä lupaavinta energiaa.

Miksi fuusioenergia?

Fuusiossa kaksi vetyatomin ydintä (deuterium- ja tritiumisotoopit) sulake yhdessä. Tämä on suhteellisen vaikeaa tehdä: molemmat ytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siksi hylkivät toisiaan. Ainoastaan ​​jos he liikkuvat erittäin nopeasti, kun he törmäävät, he murskaavat yhteen, sulautuvat ja vapauttavat sen jälkeen energian, jonka olemme jäljessä.

Tämä tapahtuu luonnollisesti auringossa. Täällä maapallolla käytämme voimakkaita magneetteja, jotka sisältävät erittäin kuumaa kaasua sähköisesti varautuneista deuterium- ja tritium-ytimistä ja elektroneista. Tätä kuumaa, ladattua kaasua kutsutaan plasmaksi.

Plasma on niin kuuma - enemmän kuin 100 miljoonaa Celsius-astetta - että positiivisesti varautuneet ytimet liikkuvat tarpeeksi nopeasti, jotta ne voisivat voittaa sähköisen vastuksen ja sulakkeen. Kun ytimet sulautuvat, ne muodostavat kaksi energistä hiukkasia - alfa-hiukkasen (heliumin atomin ytimen) ja neutronin.

Plasman lämmittäminen tällaiseen korkeaan lämpötilaan vie suuren määrän energiaa - joka täytyy laittaa reaktoriin ennen fuusion alkamista. Mutta kun se on menossa, fuusioilla on potentiaalia tuottaa riittävästi energiaa oman lämmön ylläpitämiseksi, jolloin voimme poistaa ylimääräisen lämmön käyttökelpoiseksi sähköksi.

Fuusioenergian polttoaine on luonteeltaan runsaasti. Deuterium on runsaasti vedessä ja itse reaktori voi tee tritium litiumista. Se on kaikkien kansakuntien käytettävissä, lähinnä riippumattomista paikallisista luonnonvaroista.

Fuusioenergia on puhdas. Se ei tuota kasvihuonekaasuja, ja se tuottaa vain heliumia ja neutronia.

Se on turvallinen. On ei ole mahdollisuutta runaway-reaktioon, kuten ydinfissio "sulautuminen". Pikemminkin, jos on toimintahäiriö, plasma jäähtyy ja fuusioreaktiot lakkaavat.

Kaikki nämä ominaisuudet ovat motivoineet tutkimusta vuosikymmeniä, ja niistä on tullut entistä houkuttelevampia ajan myötä. Positiiviset tulokset vastaavat kuitenkin fuusion merkittävää tieteellistä haastetta.

Edistyminen tähän mennessä

Fuusion edistymistä voidaan mitata kahdella tavalla. Ensimmäinen on valtava edistysaskel korkean lämpötilan plasmien perustiedotuksessa. Tutkijoiden oli kehitettävä uusi fysiikan ala - plasmafysiikka - ajatella menetelmiä plasman rajoittamiseksi voimakkaisiin magneettikenttiin ja sitten kehittää kykyä lämmittää, stabiloida, hallita turbulenssia ja mitata superhotin plasman ominaisuuksia.

Liittyvä tekniikka on myös edennyt valtavasti. Meillä on pakotti magneetitja sähkömagneettisten aaltojen lähteet ja hiukkaspalkit sisältävät plasman. Olemme myös kehittäneet tekniikoita niin materiaalit kestävät voimakasta lämpöä plasmassa nykyisissä kokeissa.

On helppo välittää käytännön mittareita, jotka seuraavat fuusion marssia kaupallistamiseen. Heidän joukossaan on laboratoriossa syntynyt fuusioenergia: Fuusioenergian tuotanto lisääntyi milwatteista mikrosekunteina 1970: ien 10-megawatteihin fuusioenergialla (Princetonin plasmanfysiikan laboratoriossa) ja 16 megawattia yhden sekunnin ajan (yhteisessä eurooppalaisessa toruksessa Englannissa) 1990sissa.

Tutkimuksen uusi luku

Nyt kansainvälinen tiedeyhteisö työskentelee yhtenäisesti rakentaakseen massiivisen fuusiotutkimuslaitoksen Ranskaan. Olla nimeltään ITER (Latinalainen "tapa"), tämä kasvi tuottaa noin 500 megawattia lämpöfuusioenergiaa noin kahdeksan minuuttia kerrallaan. Jos tämä voima muutettiin sähköksi, se voisi toimia 150,000-koteihin. Kokeena se mahdollistaa meille keskeisten tieteellisten ja teknisten kysymysten testaamisen fuusiovoimalaitosten valmistelussa, jotka toimivat jatkuvasti.

ITER käyttää mallia, jota kutsutaan nimelläTokamakin, ”Alun perin venäläinen lyhenne. Siihen kuuluu donutin muotoinen plasma, joka on rajattu erittäin voimakkaaseen magneettikenttään, joka on osittain syntynyt plasmassa itse virtaavasta sähkövirrasta.

Vaikka se on suunniteltu tutkimushankkeeksi, eikä sitä ole tarkoitettu sähköenergian nettotuottajaksi, ITER tuottaa 10-kertaa enemmän fuusioenergiaa kuin plasman lämmittämiseen tarvittavat 50-megavatit. Tämä on valtava tieteellinen askel, joka luo ensimmäisen ”plasma, ”Jossa suurin osa plasman lämmittämiseen käytetystä energiasta tulee itse fuusioreaktiosta.

ITERiä tukee puolet maailman väestöstä: Kiina, Euroopan unioni, Intia, Japani, Venäjä, Etelä-Korea ja Yhdysvallat Se on vahva kansainvälinen julkilausuma fuusioenergian tarpeesta ja lupauksesta.

Tie eteenpäin

Sieltä jäljellä oleva polku fuusiovoimaan on kaksi. Ensinnäkin meidän on jatkettava tokamakin tutkimusta. Tämä tarkoittaa fysiikan ja tekniikan edistämistä, jotta voimme ylläpitää plasmaa vakaana kuukausia kerrallaan. Meidän on kehitettävä materiaaleja, jotka kestävät lämpöä, joka on yhtä suuri kuin viidesosa auringon pinnan lämpövirrasta pitkäksi aikaa. Ja meidän on kehitettävä materiaaleja, jotka peittävät reaktorisydän neutronien absorboimiseksi ja tritiumin kasvattamiseksi.

Toinen tekijä fuusion tiellä on kehittää ideoita, jotka lisäävät fuusion houkuttelevuutta. Neljä tällaista ajatusta ovat:

1) Tietokoneiden käyttö optimoi fuusioreaktorin mallit fysiikan ja tekniikan rajoissa. Sen lisäksi, mitä ihmiset voivat laskea, nämä optimoidut mallit tuottavat kierretyt donitsi-muodot jotka ovat erittäin vakaita ja voivat toimia automaattisesti kuukausien lopussa. Niitä kutsutaan "stellaratorsiksi" fuusioyrityksessä.

2) Kehitetään uusia korkean lämpötilan suprajohtavia magneetteja, jotka voivat olla vahvempia ja pienempiä kuin nykypäivän paras. Näin voimme rakentaa pienempiä ja todennäköisesti halvempia fuusioreaktoreita.

3) Käytetään nestemäistä metallia eikä kiinteää ainetta, joka ympäröi plasmaa. Nestemäiset metallit eivät hajoa, tarjoaa mahdollisen ratkaisun valtavaan haasteeseen, miten ympäröivä materiaali voi käyttäytyä, kun se koskettaa plasmaa.

4) Rakennusjärjestelmät, joissa on donutin muotoisia plasmoja keskellä ei ole reikää, muodostavat a plasma on lähes pallomainen. Jotkin näistä lähestymistavoista voisivat toimia myös heikommalla magneettikentällä. Nämä “kompakti tori”Ja” matalan kentän ”lähestymistavat tarjoavat myös mahdollisuuden pienentää kokoa ja kustannuksia.

Hallituksen rahoittamat tutkimusohjelmat ympäri maailmaa työskentelee molempien osien elementtejä - ja se johtaa havaintoihin, jotka hyödyttävät kaikkia fuusioenergian lähestymistapoja (samoin kuin ymmärrystä kosmetiikan ja teollisuuden plasmasta). Aikaisemmin 10 on 15 vuotta, myös yksityisrahoitetut yritykset ovat liittyneet tähän työhönerityisesti etsittäessä kompakteja tori- ja matalan kentän läpimurtoja. Edistyminen on tulossa ja se tuo siihen runsaasti, puhdasta ja turvallista energiaa.

Author

Stewart Prager, astrofyysisen tieteen professori, Princeton Plasma Physics Laboratoryn entinen johtaja, Princeton University ja Michael C. Zarnstorff, Princeton Plasma Physics Laboratoryn tutkimusjohtaja, Princeton University

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

[Editorin huomautus: Tässä on varoitusviesti fuusioenergian alalla.]

Liittyvät kirjat:

at InnerSelf Market ja Amazon