Forskere forklarer:Hvad er inerti fusionsenergi?

Fusion er et naturligt fænomen, der forsyner vores planet med meget af sin energi – genereret millioner af miles væk i midten af ​​vores sol.

Her på Jorden forsøger forskere at kopiere de varme og tætte forhold, der fører til fusion. I midten af ​​en stjerne giver gravitationstryk og høje temperaturer - omkring 200 millioner grader Fahrenheit - energi og klemmer atomer tæt nok sammen til at smelte sammen deres kerner og generere overskydende energi.

"Slutmålet med fusionsforskning er at reproducere en proces, der sker i stjerner hele tiden," siger Arianna Gleason, stabsforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. "To lette atomer samles og smelter sammen og danner en enkelt tungere, mere stabil kerne. Som et resultat bliver overskydende masse - den ene kerne har mindre masse end de to, der dannede den - omdannet til energi og båret væk."

Den resterende masse (m) bliver til energi (E) takket være Einsteins berømte E=mc ² ligning. At få fusion til at ske på Jorden er overraskende simpelt - og er blevet opnået mange gange i løbet af de sidste par årtier ved hjælp af en bred vifte af enheder. Den svære del er at gøre processen selvbærende, så den ene fusionsbegivenhed driver den næste til at skabe et vedvarende, "brændende plasma", der i sidste ende kunne generere ren, sikker og rigelig energi til at drive elnettet.

"Du kan tænke på det her som at slå en kamp," forklarer Alan Fry. projektdirektør for SLAC's Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade (MEC-U). "Når den er antændt, bliver flammen ved med at brænde. På Jorden er vi nødt til at skabe de rette betingelser - meget høj tæthed og temperatur - for at få processen til at ske, og en af ​​måderne at gøre det på er med lasere."

Indtast inerti fusionsenergi, eller IFE, en potentiel tilgang til at bygge et kommercielt fusionskraftværk ved hjælp af fusionsbrændstof og lasere. IFE har opnået øget national støtte, siden forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory's (LLNL) National Ignition Facility (NIF) gentagne gange har demonstreret fusionsreaktioner, der gav en nettoenergigevinst for første gang overalt i verden.

"Med intense laserstråler opnåede vi tænding, hvilket betyder, at vi fik mere energi ud af et fusionsmål end laserenergien, der blev lagt i det," forklarede Siegfried Glenzer, professor i fotonvidenskab og direktør for SLAC's High Energy Density videnskabsafdeling.

Inertial indeslutningsfusion:Sådan fungerer det

Teknikken, der bruges på NIF, kendt som inertial indeslutningsfusion, er en af ​​to primære ideer, der undersøges for skabelsen af ​​en fusionsenergikilde. Den anden, kendt som magnetisk indeslutningsfusion, bruger magnetiske felter til at indeholde fusionsbrændstof i form af plasma.

Med inertial indeslutningsfusion skabes plasmaet ved hjælp af intense lasere og en lille pellet fyldt med brint - typisk deuterium og tritium, isotoper med henholdsvis en og to neutroner i kernen. Pelleten er omgivet af et let materiale, der fordamper udad, når det opvarmes af laserne. Og når det sker, er der en nettoreaktion indad, som driver en implosion.

"Dette er dybest set en sfærisk raket," forklarer Fry. "Ved at udstøde udstødningen udad, driver den raketten i den modsatte retning. I dette tilfælde skubber det fordampede materiale på ydersiden af ​​pelleten brintisotoperne ind mod midten."

Laserne skal påføres nøjagtigt for at få en symmetrisk chokbølge til at bevæge sig mod midten af ​​brintblandingen - hvilket skaber den temperatur og densitet, der er nødvendig for at starte fusionsreaktionen. NIF tændingshændelser bruger 192 laserstråler til at skabe denne implosion og få isotoperne til at smelte sammen.

"Laserteknologi og vores forståelse af fusionsprocessen har udviklet sig så hurtigt, at vi nu er i stand til at bruge laserindeslutning til at skabe et brændende plasma fra hver fusionsbegivenhed," sagde Gleason.

Hurtigere, mere effektive lasere

Men der er stadig lang vej igen. Lasere, der bruges til inerti fusionsenergi, skal kunne fyre hurtigere og blive mere elektrisk effektive, siger eksperterne.

Laserne hos NIF er så store og komplekse, at de kun kan affyre cirka tre gange om dagen. For at nå en inerti-fusionsenergikilde sagde Glenzer, "vi har brug for lasere, der kan fungere 10 gange i sekundet. Så vi er nødt til at fusionere NIF-fusionsresultaterne med effektive laser- og brændstofmålteknologier."

Fry bruger analogien af ​​et stempel i en bilcylinder til at beskrive, hvordan individuelle fusionsreaktioner lægger op til at generere vedvarende kraft. "Hver gang du sprøjter brændstof ind og antænder det, udvider det sig og skubber stemplet i din motor," sagde han. "For at få din bil til at bevæge sig skal du gøre det igen og igen med tusindvis af omdrejninger i minuttet - eller titusindvis af gange i sekundet, og det er præcis, hvad vi skal gøre med inertifusionsenergi for at gøre den til en levedygtig, kontinuerlig , bæredygtig strømkilde."

"For at nå den energigevinst, der er nødvendig for et pilotfusionsanlæg, skal vi gå fra omkring to gange mere energi ud end i - den nuværende gevinst fra NIF-eksperimenter - til en energigevinst på 10 til 20 gange den laserenergi, vi indsætter, " sagde Glenzer. "Vi har simuleringer, der viser os, at det ikke er et urimeligt mål, men det vil kræve meget arbejde at nå dertil."

Hvad mere er, inkluderer de nuværende estimater af energigevinst fra tænding ikke al den energi eller elektricitet, det tog at lave det laserskud. For at gøre IFE til en energiløsning skal hele systemet eller vægstikkets effektivitet øges, hvilket vil tage fremskridt i begge retninger:mere energi ud af fusionsreaktionen og mindre energi ind i laseren, siger Fry.

De nyligt annoncerede DOE-sponsorerede inertifusionsenergividenskabelige og teknologiske hubs samler ekspertise fra flere institutioner for at imødegå disse udfordringer.

SLAC er partner i to af de tre hubs, der bringer laboratoriets ekspertise og kapacitet inden for lasereksperimenter med høj gentagelseshastighed, lasersystemer og alle de medfølgende teknologier.

"En spændende udvikling er nye laserfaciliteter planlagt ved Colorado State University og SLAC," siger Glenzer, der er vicedirektør for RISE-hubben ledet af CSU. Højeffektlaseranlægget på CSU og MEC-U-projektet på SLACs Linac Coherent Light Source vil være baseret på den nyeste laserarkitektur og vil levere laserimpulser med 10 skud i sekundet.

"LCLS har brugt lasere i de sidste ti år med mere end 100 skud i sekundet, og det betyder, at vi har en meget stærk teknologisk ekspertise i at udføre eksperimenter med høj gentagelseshastighed," sagde Glenzer. "Vi har udviklet nye mål, diagnostik og detektorer, der kan drage fordel af de høje gentagelsesrater, og som er ret unikke for dette felt og passer godt til det, vi ønsker at opnå med IFE."

Men der er stadig meget at lære om, hvordan man præcist rammer et mål i midten af ​​et kammer 10 gange i sekundet på en måde, så målrester og fusionskraft ikke vil påvirke eller beskadige lasere eller målindsættelse.

Som partner i STARFIRE-hubben ledet af LLNL vil SLAC bidrage til skabelsen af ​​detaljerede tekniske krav til lasersystemer til IFE, der er tæt beslægtede med dem, der skal bygges til MEC-U-projektet i gang hos SLAC, siger Fry.

"De avancerede lasere hos MEC-U vil bruge en mere effektiv måde at drive energi ind i laseren på og et avanceret kølesystem til at køre med en højere gentagelseshastighed. De teknologier, vi udvikler, og de videnskabelige spørgsmål, vi kan besvare med den, er overbevisende for IFE."

Derudover kan de ultraklare røntgenstråler fra LCLS hjælpe forskere med at forstå, hvad der sker i brintbrændstoffet, når det gennemgår fusion, eller hvad der sker i materialet, der blæses af pellets for at forårsage implosionen.

At sætte materialer – og mennesker – i arbejde

Faktisk spiller materialer en nøglerolle i udviklingen af ​​IFE, siger Gleason. "At bruge lasere til at implodere et mål ensartet og sfærisk er så hårdt, fordi materialer altid er fejlbehæftede:Der er en dislokation, en defekt, en kemisk inhomogenitet, en overfladeruhed, en porøsitet på mesoskalaen. Kort sagt er der altid variationer og defekter i materialer."

En af de ting, hun er begejstret for, er bedre at forstå de materialer, der er involveret i IFE på atomniveau for at teste og forfine fysikmodeller til specifikke IFE-designs, sagde hun.

"Hos SLAC har vi fænomenale værktøjer til at kigge dybt ind i materialer. Ved at forstå ufuldkommenhedernes fysik kan vi omdanne deres 'fejl' til funktioner, der kan tages i betragtning i deres design - vi kan have en masse knapper at dreje i justering af kompressionen i fusionsprocessen."

En anden stor udfordring, som alle tre forskere er ivrige efter at tackle, er at opbygge den arbejdsstyrke, der er nødvendig for at forske og drive fremtidens fusionsenergianlæg.

Navne inkluderer finansiering til studerendes involvering, sagde Glenzer. "Vi vil træne den næste generation af videnskabsmænd og teknikere til at drage fordel af disse nye muligheder."

Fry og Gleason føler også stærkt for at tiltrække folk til marken, så fusionsenergi, efterhånden som den udvikler sig, er en inkluderende virksomhed.

"Vi får brug for ingeniører, teknikere, operatører, menneskelige ressourcer og indkøbsprofessionelle osv.," sagde Gleason. "Jeg tror, ​​at mange unge mennesker kan samles bag fusion og føle sig bemyndiget ved at gøre noget, der skubber klimakrisen tilbage – de ønsker at se en forandring i deres levetid."

Glenzer er overbevist om, at de vil. "Folk havde spekuleret i, at det ville tage 30 år at bygge et fusionsenergianlæg, men det nylige tændingsgennembrud bragte den udsigt tættere på virkeligheden. Vi har allerede øget fusionsgevinsten med 1.000 i løbet af de seneste 10 års arbejde i NIF," siger han. sagde han.

"Potentialet for en ren, retfærdig og rigelig energikilde - og al den videnskab og teknologi, der følger med udviklingen af ​​fusionsenergi - er meget spændende."

LCLS er en DOE Office of Science brugerfacilitet. Fusionsenergihubene blev dannet af DOE's Inertial Fusion Energy Science &Technology Accelerator Research (IFE-STAR) program.

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory