Fusionsenergi - en tid med overgang og potentiale

I århundreder, mennesker har drømt om at udnytte solens kraft til at energisere vores liv her på Jorden. Men vi vil gå ud over at indsamle solenergi, og en dag generere vores egne fra en mini-sol. Hvis vi er i stand til at løse et ekstremt komplekst sæt videnskabelige og tekniske problemer, fusionsenergi lover en grøn, sikker, ubegrænset energikilde. Fra kun et kilo deuterium, der udvindes fra vand om dagen, kunne der komme strøm nok til at drive hundredtusindvis af hjem.

Siden 1950'erne har videnskabelig og ingeniørforskning har genereret enorme fremskridt mod at tvinge brintatomer til at smelte sammen i en selvbærende reaktion-samt en lille, men påviselig mængde fusionsenergi. Skeptikere og fortalere bemærker de to vigtigste tilbageværende udfordringer:at opretholde reaktionerne over lange perioder og udtænke en materiel struktur til at udnytte fusionskraften til elektricitet.

Som fusionsforskere ved Princeton Plasma Physics Lab, vi ved det realistisk, det første kommercielle fusionskraftværk er stadig mindst 25 år væk. Men potentialet for dens store fordele ved at komme i anden halvdel af dette århundrede betyder, at vi skal blive ved med at arbejde. Store demonstrationer af fusionens gennemførlighed kan gennemføres tidligere - og skal så fusionskraft kan inkorporeres i planlægningen af ​​vores energifremtid.

I modsætning til andre former for elektrisk produktion, såsom solceller, naturgas og nuklear fission, fusion kan ikke udvikles i miniature og derefter blot skaleres op. De eksperimentelle trin er store og tager tid at bygge. Men problemet med rigeligt, ren energi vil være en vigtig opfordring til menneskeheden i det næste århundrede og fremover. Det ville være dumdristigt ikke fuldt ud at udnytte denne mest lovende energikilde.

Hvorfor fusionskraft?

I fusion, to kerner i brintatomet (deuterium og tritium isotoper) smelter sammen. Dette er relativt svært at gøre:Begge kerner er positivt ladede, og derfor afvise hinanden. Kun hvis de bevæger sig ekstremt hurtigt, når de støder sammen, vil de smadre sammen, sikring og derved frigive den energi, vi leder efter.

Dette sker naturligt i solen. Her på Jorden, vi bruger kraftige magneter til at indeholde en ekstremt varm gas af elektrisk ladede deuterium- og tritiumkerner og elektroner. Dette varme, ladet gas kaldes et plasma.

Plasmaet er så varmt - mere end 100 millioner grader Celsius - at de positivt ladede kerner bevæger sig hurtigt nok til at overvinde deres elektriske frastødning og sikring. Når kernerne smelter sammen, de danner to energiske partikler - en alfapartikel (kernen i heliumatom) og en neutron.

Opvarmning af plasmaet til en så høj temperatur kræver en stor mængde energi - som skal sættes i reaktoren, før fusion kan begynde. Men når det først går i gang, fusion har potentiale til at generere nok energi til at opretholde sin egen varme, tillader os at trække overskydende varme fra til at blive til brugbar elektricitet.

Brændstof til fusionskraft er rigeligt i naturen. Deuterium er rigeligt i vand, og selve reaktoren kan lave tritium fra lithium. Og den er tilgængelig for alle nationer, hovedsagelig uafhængigt af lokale naturressourcer.

Fusionskraften er ren. Det afgiver ingen drivhusgasser, og producerer kun helium og en neutron.

Det er sikkert. Der er ingen mulighed for en løbende reaktion, som en "sammenbrud" med en nuklear fission. Hellere, hvis der er en funktionsfejl, plasmaet afkøles, og fusionsreaktionerne ophører.

Alle disse attributter har motiveret forskning i årtier, og er blevet endnu mere attraktive med tiden. Men det positive matches af den betydelige videnskabelige udfordring ved fusion.

Fremskridt til dato

Fremskridt inden for fusion kan måles på to måder. Den første er det enorme fremskridt inden for grundlæggende forståelse af højtemperaturplasmaer. Forskere måtte udvikle et nyt fysikfelt - plasmafysik - for at forestille sig metoder til at begrænse plasmaet i stærke magnetfelter, og derefter udvikle evnerne til at varme, stabilisere, kontrollere turbulens i og måle egenskaberne af superhot plasmaet.

Relateret teknologi er også gået enormt frem. Vi har skubbet grænserne i magneter, og elektromagnetiske bølgekilder og partikelstråler til at indeholde og opvarme plasmaet. Vi har også udviklet teknikker, så materialer kan modstå plasmaets intense varme i nuværende eksperimenter.

Det er let at formidle de praktiske metrik, der sporer fusionens march til kommercialisering. Hoved blandt dem er den fusionskraft, der er genereret i laboratoriet:Fusionskraftproduktion eskalerede fra milliwatt i mikrosekunder i 1970'erne til 10 megawatt fusionskraft (ved Princeton Plasma Physics Laboratory) og 16 megawatt i et sekund (ved Joint European Torus i England) i 1990'erne.

Et nyt kapitel i forskning

Nu arbejder det internationale videnskabelige samfund i fællesskab for at bygge en massiv fusionsforskningsfacilitet i Frankrig. Kaldes ITER (latin for "vejen"), dette anlæg vil generere omkring 500 megawatt termisk fusionskraft i cirka otte minutter ad gangen. Hvis denne strøm blev konverteret til elektricitet, den kunne drive omkring 150, 000 boliger. Som et eksperiment, det vil give os mulighed for at teste centrale videnskabelige og tekniske spørgsmål som forberedelse til fusionskraftværker, der vil fungere kontinuerligt.

ITER anvender designet kendt som "tokamak, "oprindeligt et russisk akronym. Det involverer et doughnut-formet plasma, begrænset til et meget stærkt magnetfelt, som delvis er skabt af elektrisk strøm, der strømmer i selve plasmaet.

Selvom det er designet som et forskningsprojekt, og ikke beregnet til at være en nettoproducent af elektrisk energi ITER vil producere 10 gange mere fusionsenergi end de 50 megawatt, der er nødvendige for at opvarme plasmaet. Dette er et stort videnskabeligt trin, skaber det første "brændende plasma, "hvor det meste af den energi, der bruges til at opvarme plasmaet, stammer fra selve fusionsreaktionen.

ITER understøttes af regeringer, der repræsenterer halvdelen af ​​verdens befolkning:Kina, Den Europæiske Union, Indien, Japan, Rusland, Sydkorea og USA Det er en stærk international erklæring om behovet for, og løfte om, fusionsenergi.

Vejen frem

Herfra, den resterende vej mod fusionskraft har to komponenter. Først, vi skal fortsætte med at undersøge tokamak. Det betyder at udvikle fysik og teknik, så vi kan opretholde plasmaet i en stabil tilstand i flere måneder ad gangen. Vi bliver nødt til at udvikle materialer, der kan modstå en mængde varme svarende til en femtedel af varmefluxen på solens overflade i lange perioder. Og vi skal udvikle materialer, der vil dække reaktorkernen til at absorbere neutronerne og avle tritium.

Den anden komponent på vejen til fusion er at udvikle ideer, der forbedrer fusionens tiltrækningskraft. Fire sådanne ideer er:

1. Ved hjælp af computere, optimere fusionsreaktordesign inden for fysik og teknik. Ud over hvad mennesker kan beregne, disse optimerede designs producerer snoet donutformer, der er meget stabile og kan fungere automatisk i flere måneder. De kaldes "stellaratorer" i fusionsbranchen.
2. Udvikling af nye højledende superledende magneter, der kan være stærkere og mindre end nutidens bedste. Det giver os mulighed for at bygge mindre, og sandsynligvis billigere, fusionsreaktorer.
3. Ved hjælp af flydende metal, frem for et solidt, som materialet omkring plasmaet. Flydende metaller går ikke i stykker, tilbyde en mulig løsning på den enorme udfordring, hvordan et omgivende materiale kan opføre sig, når det kommer i kontakt med plasmaet.
4. Bygningssystemer, der indeholder doughnut-formede plasmaer uden hul i midten, danner et plasma formet næsten som en kugle. Nogle af disse fremgangsmåder kan også fungere med et svagere magnetfelt. Disse "kompakte tori" og "low-field" tilgange giver også mulighed for reduceret størrelse og omkostninger.

Regeringsstøttede forskningsprogrammer rundt om i verden arbejder på elementerne i begge komponenter-og vil resultere i fund, der gavner alle tilgange til fusionsenergi (såvel som vores forståelse af plasmaer i kosmos og industri). I de sidste 10 til 15 år har private finansierede virksomheder har også deltaget i indsatsen, især på jagt efter kompakte tori og lavfeltgennembrud. Fremskridt kommer, og det vil bringe rigeligt, ren, sikker energi med det.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.