En overgangstid og potensial for fusjonsenergi

I århundrer har mennesker drømt om utnytte solenes kraft å energisere våre liv her på jorden. Men vi vil gå utover å samle solenergi, og en dag generere vår egen fra en minisol. Hvis vi er i stand til å løse et ekstremt komplekst sett med vitenskapelige og tekniske problemer, lover fusjonsenergi a grønn, trygg, ubegrenset energikilde. Fra bare ett kilo deuterium ekstrahert fra vann per dag kunne komme nok strøm til å drive hundre tusenvis av boliger.

Siden 1950s har vitenskapelig og ingeniørforskning hatt generert enorme fremskritt mot å tvinge hydrogenatomer til å smelte sammen i en selvbærende reaksjon - så vel som a liten, men påviselig mengde av fusjonsenergi. Skeptikere og fortalere likt Legg merke til de to viktigste gjenværende utfordringene: opprettholde reaksjonene over lange perioder og utarbeide en materiell struktur for å utnytte fusjonskraften for elektrisitet.

Som fusjonsforskere på Princeton Plasma Physics Lab, vi vet at realistisk er det første kommersielle fusjonskraftverket fortsatt minst 25 år unna. Men potensialet for sine store fordeler å komme fram i andre halvdel av dette århundret betyr at vi må fortsette å jobbe. Store demonstrasjoner av fusjonens gjennomførbarhet kan oppnås tidligere - og må, slik at fusjonskraften kan innarbeides i planlegging for vår energilevel.

I motsetning til andre former for elektrisk produksjon, som sol, naturgass og atomfission, kan fusjon ikke utvikles i miniatyr og deretter bare skaleres opp. De eksperimentelle trinnene er store og tar tid å bygge. Men problemet med rikelig, ren energi vil være a store kall for menneskeheten for neste århundre og utover. Det ville være dumt å ikke fullt ut utnytte denne mest lovende energikilden.

Hvorfor fusjonskraft?

Ved fusjon er to kjerner av hydrogenatomet (deuterium og tritiumisotoper) sikring sammen. Dette er relativt vanskelig å gjøre: Begge kjernene er positivt ladet, og avstøter derfor hverandre. Bare hvis de beveger seg ekstremt fort når de kolliderer, vil de knuse sammen, sikke og dermed frigjøre den energien vi er ute etter.


innerself abonnere grafikk


Dette skjer naturlig i solen. Her på jorden bruker vi kraftige magneter til å inneholde en ekstremt varm gass av elektrisk ladede deuterium og tritiumkjerner og elektroner. Denne varme, ladede gass kalles et plasma.

Plasmaet er så varmt - mer enn 100 millioner grader Celsius - at de positivt ladede kjernene beveger seg raskt nok til å overvinne sin elektriske frastøt og sikring. Når kjernene smelter, danner de to energiske partikler - en alfa partikkel (kjernen til heliumatomet) og et nøytron.

Oppvarming av plasma til en slik høy temperatur tar mye energi - som må settes inn i reaktoren før fusjonen kan begynne. Men når det går, har fusjon potensialet til å generere nok energi til å opprettholde sin egen varme, slik at vi kan trekke av overflødig varme for å bli brukbar elektrisitet.

Drivstoff for fusjonskraft er rikelig i naturen. Deuterium er rikelig i vann, og selve reaktoren kan Lag tritium fra litium. Og det er tilgjengelig for alle nasjoner, for det meste uavhengig av lokale naturressurser.

Fusjonskraften er ren. Det gir ingen drivhusgasser, og produserer kun helium og et nøytron.

Det er trygt. Det er ingen mulighet for en runaway reaksjon, som en kjernefysisk "meltdown". Snarere, hvis det oppstår feil, kjøles plasmaet, og fusjonsreaksjonene slutter.

Alle disse egenskapene har motivert forskning i flere tiår, og har blitt enda mer attraktive over tid. Men positivene er avstemt av den vesentlige vitenskapelige utfordringen med fusjon.

Fremskritt til dags dato

Fremdriften i fusjon kan måles på to måter. Den første er det enorme fremskrittet i grunnleggende forståelse av høy temperatur plasma. Forskere måtte utvikle et nytt felt av fysikk - plasmafysikk - å tenke på metoder for å begrense plasmaet i sterke magnetfelt, og evoluer evnen til å varme, stabilisere, kontrollere turbulens i og måle egenskapene til superhot-plasmaet.

Relatert teknologi har også utviklet seg enormt. Vi har presset grensene i magneter, og elektromagnetiske bølgekilder og partikkelbjelker til inneholde og oppvarme plasma. Vi har også utviklet teknikker slik materialer kan tåle den intense varmen av plasmaet i dagens eksperimenter.

Det er enkelt å formidle de praktiske beregningene som spore fusjons mars til kommersialisering. Chief blant dem er fusjonskraften som er generert i laboratoriet: Fusjonsproduksjonen eskalert fra milliwatt for mikrosekunder i 1970s til 10 megawatt fusjonsenergi (ved Princeton Plasma Physics Laboratory) og 16 megawatt i ett sekund (på den felles europeiske Torus i England) i 1990s.

Et nytt kapittel i forskning

Nå arbeider det internasjonale vitenskapelige samfunn med å bygge en massiv fusjonsforskningsanlegg i Frankrike. Kalt ITER (Latin for "veien"), vil dette anlegget generere om 500 megawatt med termisk fusjonskraft i omtrent åtte minutter om gangen. Hvis denne kraften ble omgjort til elektrisitet, kunne den strømme om 150,000 hjem. Som et eksperiment vil det tillate oss å teste viktige vitenskapelige og tekniske problemer som forberedelse til fusjonskraftverk som vil fungere kontinuerlig.

ITER benytter designet kjent som "tokamak, "Opprinnelig et russisk akronym. Det innebærer et dough-formet plasma, begrenset i et veldig sterkt magnetfelt, som delvis er opprettet av elektrisk strøm som strømmer i selve plasmaet.

Selv om det er utviklet som et forskningsprosjekt, og ikke er ment som en nettproducent av elektrisk energi, vil ITER produsere 10 ganger mer fusjonsenergi enn de 50-megawattene som trengs for å oppvarme plasmaet. Dette er et stort vitenskapelig skritt, og skaper den første "brennende plasma, "Der det meste av energien som brukes til oppvarming av plasma kommer fra selve fusjonsreaksjonen.

ITER støttes av regjeringer som representerer halvparten av verdens befolkning: Kina, EU, India, Japan, Russland, Sør-Korea og USA Det er en sterk internasjonal erklæring om behovet for og løftet om fusjonsenergi.

Veien fremover

Herfra har den gjenværende banen mot fusjonsmakt to komponenter. Først må vi fortsette forskning på tokamak. Dette betyr å fremme fysikk og engineering slik at vi kan opprettholde plasmaet i jevn tilstand i flere måneder om gangen. Vi må utvikle materialer som tåler en mengde varme som er lik en femtedel av varmenes flux på overflaten av solen i lange perioder. Og vi må utvikle materialer som vil dekke reaktorkjernen for å absorbere nøytronene og avle tritium.

Den andre komponenten på veien til fusjon er å utvikle ideer som forbedrer fusjons attraktivitet. Fire slike ideer er:

1) Ved hjelp av datamaskiner, optimaliserer fusjonsreaktordesign innenfor begrensninger av fysikk og ingeniørfag. Utover hva mennesker kan beregne, produserer disse optimaliserte designene snoede doughnutformer som er svært stabile og kan fungere automatisk i flere måneder. De kalles "stellaratorer" i fusjonsvirksomheten.

2) Utvikling av nye høytemperatur superledende magneter som kan være sterkere og mindre enn dagens beste. Det vil tillate oss å bygge mindre, og sannsynligvis billigere, fusjonsreaktorer.

3) Bruk av flytende metall, i stedet for et fast stoff, som materialet som omgir plasmaet. Flytende metaller bryter ikke, og tilbyr en mulig løsning på den enorme utfordringen hvordan et omgivende materiale kan oppføre seg når det kommer i kontakt med plasmaet.

4) Bygningssystemer som inneholder doughnutformede plasmaer med ingen hull i midten, danner a plasmaformet nesten som en kule. Noen av disse tilnærmingene kan også fungere med et svakere magnetfelt. Disse "kompakt tori"Og" low-field "tilnærminger gir også muligheten for redusert størrelse og kostnad.

Offentlige sponsede forskningsprogrammer rundt om i verden er på jobb med elementene i begge komponentene - og vil resultere i funn som drar nytte av alle tilnærminger til fusjonsenergi (samt vår forståelse av plasma i kosmos og industri). I de siste 10 til 15 årene, private finansierte selskaper har også sluttet seg til arbeidet, spesielt på jakt etter kompakte tori og lavfelt gjennombrudd. Fremgang kommer og det vil gi rikelig, ren og trygg energi med den.

Den Conversation

Om forfatteren

Stewart Prager, professor i astrofysisk vitenskap, tidligere leder av Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University og Michael C. Zarnstorff, assisterende direktør for forskning, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

[Redaktørens merknad: Her er en advarsel om fusjonsenergi.]

Relaterte bøker:

at InnerSelf Market og Amazon