Den hellige gral af ren energi kan stadig være på vej

Nylige rapporter fra forskere, der forfølger en ny form for atomfusionsteknologi, er opmuntrende, men vi er stadig et stykke væk fra "den hellige gral af ren energi."

Teknologien udviklet af Heinrich Hora og hans kolleger ved University of NSW bruger kraftige lasere til at sammensmelte brint- og boratomer, frigivelse af højenergipartikler, der kan bruges til at generere elektricitet. Som med andre former for nuklear fusionsteknologi, imidlertid, vanskeligheden er at bygge en maskine, der pålideligt kan igangsætte reaktionen og udnytte den energi, den producerer.

Hvad er fusion?

Fusion er den proces, der driver Solen og stjernerne. Det opstår, når kernerne i to atomer tvinges så tæt på hinanden, at de kombineres til et, frigiver energi i processen. Hvis reaktionen kan tæmmes i laboratoriet, det har potentialet til at levere næsten ubegrænset baseload-elektricitet med praktisk talt ingen CO2-emissioner.

Den letteste reaktion at starte i laboratoriet er sammensmeltning af to forskellige isotoper af brint:deuterium og tritium. Produktet af reaktionen er en heliumion og en hurtigt bevægende neutron. Det meste af fusionsforskningen til dato har forfulgt denne reaktion.

Deuterium-tritium fusion fungerer bedst ved en temperatur på omkring 100, 000, 000℃. At indeslutte et plasma - navnet på stoffets flammelignende tilstand ved sådanne temperaturer - så varmt er ingen ringe bedrift.

Den førende tilgang til at udnytte fusionskraft kaldes toroidal magnetisk indeslutning. Superledende spoler bruges til at skabe et felt omkring en million gange stærkere end Jordens magnetfelt til at indeholde plasmaet.

Forskere har allerede opnået deuterium-tritium-fusion ved eksperimenter i USA (Tokamak Fusion Test Reactor) og Storbritannien (den fælles europæiske torus). Ja, en deuterium-tritium-fusionskampagne vil finde sted i det britiske eksperiment i år.

Disse eksperimenter initierer en fusionsreaktion ved hjælp af massiv ekstern opvarmning, og det kræver mere energi at opretholde reaktionen, end reaktionen producerer selv.

Den næste fase af mainstream -fusionsforskning vil indebære et forsøg kaldet ITER ("vejen" på latin), der bygges i Sydfrankrig. Hos ITER, de indesluttede heliumioner skabt af reaktionen vil producere lige så meget opvarmning som de eksterne varmekilder. Da den hurtige neutron bærer fire gange så meget energi som heliumionen, effektforstærkningen er en faktor på fem.

ITER er et proof of concept før opførelsen af ​​et demonstrationskraftværk.

Hvad er anderledes ved at bruge brint og bor?

Teknologien rapporteret af Hora og kolleger foreslår at bruge en laser til at skabe et meget stærkt begrænsende magnetfelt, og en anden laser til at opvarme en brint-bor-brændstofpellet for at nå punktet for fusionsantændelse.

Når en brintkerne (en enkelt proton) smelter sammen med en bor-11-kerne, den producerer tre energiske heliumkerner. Sammenlignet med deuterium-tritium reaktionen, dette har den fordel, at det ikke producerer nogen neutroner, som er svære at indeholde.

Imidlertid, brint-borreaktionen er meget sværere at udløse i første omgang. Horas løsning er at bruge en laser til at opvarme en lille brændstofpellet til antændelsestemperatur, og en anden laser til at opvarme metalspoler for at skabe et magnetfelt, der vil indeholde plasmaet.

Teknologien bruger meget korte laserimpulser, varer kun nanosekunder. Det krævede magnetfelt ville være ekstremt stærkt, omkring 1, 000 gange så stærk som den, der blev brugt i deuterium-tritium-eksperimenter. Forskere i Japan har allerede brugt denne teknologi til at skabe et svagere magnetfelt.

Hora og kolleger hævder, at deres proces vil skabe en "lavineeffekt" i brændstofpillen, hvilket betyder, at der vil ske meget mere fusion, end man ellers ville forvente. Mens der er eksperimentelt bevis for at understøtte en vis stigning i fusionsreaktionshastighed ved at skræddersy laserstråle og mål, for at sammenligne med deuterium-tritium-reaktioner skal lavineeffekten øge fusionsreaktionshastigheden med mere end 100, 000 gange ved 100, 000, 000℃. Der er ingen eksperimentel dokumentation for en stigning i denne størrelsesorden.

Hvor skal man hen herfra?

Forsøgene med brint og bor har bestemt givet fascinerende fysiske resultater, men fremskrivninger af Hora og kolleger om en femårig vej til at realisere fusionskraft virker for tidlige. Andre har forsøgt laser-udløst fusion. National Ignition Facility i USA, for eksempel, har forsøgt at opnå brint-deuterium-fusionstænding ved hjælp af 192 laserstråler fokuseret på et lille mål.

Disse eksperimenter nåede en tredjedel af de betingelser, der var nødvendige for antændelse for et enkelt eksperiment. Udfordringerne omfatter præcis placering af målet, uensartethed af laserstrålen, og ustabilitet, der opstår, når målet imploderer.

Disse eksperimenter blev udført højst to gange om dagen. Derimod skøn tyder på, at et kraftværk ville kræve, hvad der svarer til 10 eksperimenter i sekundet.

Udviklingen af ​​fusionsenergi vil højst sandsynligt blive realiseret af det almindelige internationale program, med ITER-eksperimentet som kerne. Australien har internationalt engagement i ITER-projektet inden for teori og modellering, materialevidenskab og teknologiudvikling.

Meget af dette er baseret på ANU i samarbejde med Australian Nuclear Science and Technology Organisation, som er underskriver af en samarbejdsaftale med ITER. Det sagt, der er altid plads til smart innovation og nye koncepter, og det er vidunderligt at se alle former for investeringer i fusionsvidenskab.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.