Od wieków ludzie marzyli wykorzystując moc słońca ożywić nasze życie tu na Ziemi. Ale chcemy wyjść poza zbieranie energii słonecznej i pewnego dnia generować własną z mini-słońca. Jeśli jesteśmy w stanie rozwiązać niezwykle złożony zestaw problemów naukowych i inżynieryjnych, energia termojądrowa obiecuje: zielone, bezpieczne, nieograniczone źródło energii. Od po prostu jeden kilogram deuteru ekstrahowanego z wody dziennie może dostarczyć wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zasilić setki tysięcy domów.

Od lat 1950. badania naukowe i inżynierskie wygenerował ogromny postęp w kierunku zmuszenia atomów wodoru do fuzji w samopodtrzymującej się reakcji – a także niewielka, ale widoczna kwota energii syntezy jądrowej. Zarówno sceptycy, jak i zwolennicy zwróć uwagę na dwa najważniejsze pozostałe wyzwania: utrzymanie reakcji przez długi czas i opracowanie struktury materialnej, aby wykorzystać moc syntezy jądrowej do elektryczności.

Jako badacze syntezy jądrowej w Laboratorium Fizyki Plazmowej w Princeton, wiemy, że realistycznie rzecz biorąc, do pierwszej komercyjnej elektrowni termojądrowej jest jeszcze co najmniej 25 lat. Jednak możliwość pojawienia się ogromnych korzyści w drugiej połowie tego stulecia oznacza, że ​​musimy dalej pracować. Główne zademonstrowanie wykonalności syntezy jądrowej można przeprowadzić wcześniej – i jest to konieczne, aby moc syntezy jądrowej mogła zostać włączona do planowania naszej przyszłości energetycznej.

W przeciwieństwie do innych form wytwarzania energii elektrycznej, takich jak energia słoneczna, gaz ziemny i rozszczepienie jądrowe, synteza jądrowa nie może być rozwijana w miniaturze, a następnie po prostu zwiększana. Etapy eksperymentalne są duże, a ich zbudowanie wymaga czasu. Ale problem obfitej, czystej energii będzie główne powołanie dla ludzkości na następne stulecie i dalej. Byłoby nierozsądne, aby nie wykorzystać w pełni tego najbardziej obiecującego źródła energii.

Dlaczego energia termojądrowa?

W fuzji dwa jądra atomu wodoru (izotopy deuteru i trytu) połączą się razem. Jest to stosunkowo trudne do wykonania: oba jądra są naładowane dodatnio i dlatego odpychają się nawzajem. Tylko jeśli poruszają się bardzo szybko, kiedy się zderzają, zderzają się ze sobą, łączą, a tym samym uwalniają energię, której szukamy.

Dzieje się to naturalnie na słońcu. Tutaj na Ziemi używamy potężnych magnesów do przechowywania niezwykle gorącego gazu naładowanych elektrycznie jąder i elektronów deuteru i trytu. Ten gorący, naładowany gaz nazywa się plazmą.

Plazma jest tak gorąca – ponad 100 milionów stopni Celsjusza – że dodatnio naładowane jądra poruszają się wystarczająco szybko, aby przezwyciężyć odpychanie elektryczne i bezpiecznik. Kiedy jądra łączą się, tworzą dwie cząstki energetyczne – cząstkę alfa (jądro atomu helu) i neutron.

Podgrzanie plazmy do tak wysokiej temperatury wymaga dużej ilości energii – którą należy włożyć do reaktora, zanim rozpocznie się fuzja. Ale kiedy już się rozpocznie, fuzja może wytworzyć wystarczającą ilość energii, aby utrzymać własne ciepło, pozwalając nam odprowadzić nadmiar ciepła i przekształcić go w użyteczną energię elektryczną.

Paliwo do produkcji energii termojądrowej występuje w przyrodzie w dużych ilościach. Deuter jest obfity w wodę, a sam reaktor może: zrobić tryt z litu. I jest dostępny dla wszystkich narodów, w większości niezależnych od lokalnych zasobów naturalnych.

Energia termojądrowa jest czysta. Nie emituje gazów cieplarnianych, wytwarza jedynie hel i neutron.

To jest bezpieczne. Jest brak możliwości niekontrolowanej reakcji, jak „roztopienie się” rozszczepienia jądrowego. Raczej, jeśli wystąpi jakakolwiek awaria, plazma ochładza się i reakcje fuzji ustają.

Wszystkie te atrybuty od dziesięcioleci motywują badania i z czasem stały się jeszcze bardziej atrakcyjne. Ale pozytywom idzie w parze ze znaczącym wyzwaniem naukowym związanym z fuzją.

Dotychczasowy postęp

Postęp w fuzji można mierzyć na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest ogromny postęp w podstawowym zrozumieniu plazmy wysokotemperaturowej. Naukowcy musieli opracować nową dziedzinę fizyki – fizyka plazmy – wymyślić metody zamykania plazmy w silnych polach magnetycznych, a następnie rozwijać zdolności do podgrzewania, stabilizowania, kontrolowania turbulencji i pomiaru właściwości supergorącej plazmy.

Pokrewna technologia również bardzo się rozwinęła. Mamy przesunęła granice w magnesach, a źródła fal elektromagnetycznych i wiązki cząstek do zawierają i podgrzewają plazmę. Opracowaliśmy również techniki, dzięki którym materiały mogą wytrzymać intensywne ciepło plazmy w obecnych eksperymentach.

Łatwo jest przekazać praktyczne wskaźniki, które śledzą marsz fuzji do komercjalizacji. Najważniejszym z nich jest moc syntezy jądrowej, która została wygenerowana w laboratorium: generacja energii termojądrowej wzrosła z miliwatów na mikrosekundy w latach 1970. do 10 megawatów mocy syntezy jądrowej (w Princeton Plasma Physics Laboratory) i 16 megawatów na sekundę (w Joint European Torus w Anglii) w latach 1990.

Nowy rozdział w badaniach

Teraz międzynarodowa społeczność naukowa pracuje w jedności nad budową ogromnego ośrodka badań nad syntezą jądrową we Francji. Zwany ITER (po łacinie „droga”) elektrownia ta będzie generować około 500 megawatów energii termojądrowej przez około osiem minut na raz. Gdyby ta moc została zamieniona na energię elektryczną, mogłaby zasilać około 150,000 XNUMX domów. Jako eksperyment pozwoli nam przetestować kluczowe zagadnienia naukowe i inżynieryjne w ramach przygotowań do elektrowni termojądrowych, które będą działać nieprzerwanie.

ITER wykorzystuje projekt znany jako „tokamak”, pierwotnie rosyjski akronim. Obejmuje plazmę w kształcie pączka, zamkniętą w bardzo silnym polu magnetycznym, które jest częściowo wytwarzane przez prąd elektryczny płynący w samej plazmie.

Chociaż został zaprojektowany jako projekt badawczy, a nie jako producent netto energii elektrycznej, ITER wyprodukuje 10 razy więcej energii termojądrowej niż 50 megawatów potrzebnych do podgrzania plazmy. To ogromny krok naukowy, stworzenie pierwszego „paląca się plazma”, w którym większość energii wykorzystywanej do ogrzewania plazmy pochodzi z samej reakcji fuzji.

ITER jest wspierany przez rządy reprezentujące połowę światowej populacji: Chiny, Unia Europejska, Indie, Japonia, Rosja, Korea Południowa i USA Jest to mocne międzynarodowe oświadczenie o potrzebie i obietnicy energii termojądrowej.

Droga do przodu

Odtąd pozostała droga do energii syntezy jądrowej składa się z dwóch elementów. Najpierw musimy kontynuować badania nad tokamakiem. Oznacza to postęp w fizyce i inżynierii, dzięki czemu możemy utrzymywać plazmę w stanie ustalonym przez wiele miesięcy. Będziemy musieli opracować materiały, które przez długi czas wytrzymają ilość ciepła równą jednej piątej strumienia ciepła na powierzchni Słońca. Musimy opracować materiały, które pokryją rdzeń reaktora, aby wchłonąć neutrony i rozmnożyć tryt.

Drugim elementem na drodze do fuzji jest rozwijanie pomysłów, które zwiększają atrakcyjność fuzji. Cztery takie pomysły to:

1) Korzystając z komputerów, zoptymalizuj projekty reaktorów termojądrowych w ramach ograniczeń fizyki i inżynierii. Poza tym, co ludzie mogą obliczyć, te zoptymalizowane projekty dają skręcone kształty pączków które są bardzo stabilne i mogą działać automatycznie przez wiele miesięcy. W branży termojądrowej nazywa się je „stellaratorami”.

2) Opracowanie nowych wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodzących, które mogą być silniejsze i mniejsze niż dzisiejsze najlepsze. To pozwoli nam budować mniejsze i prawdopodobnie tańsze reaktory termojądrowe.

3) Używanie ciekłego metalu zamiast ciała stałego jako materiału otaczającego plazmę. Metale płynne nie pękają, oferując możliwe rozwiązanie ogromnego wyzwania, w jaki sposób otaczający materiał może zachowywać się w kontakcie z plazmą.

4) Budowanie systemów zawierających plazmy w kształcie pączka z brak dziury w środku, tworząc plazma w kształcie prawie kuli. Niektóre z tych podejść mogą również funkcjonować przy słabszym polu magnetycznym. Te "kompaktowy toriPodejścia „o małym polu” również oferują możliwość zmniejszenia rozmiaru i kosztów.

Programy badawcze sponsorowane przez rząd na całym świecie pracują nad elementami obu składników – i zaowocują odkryciami, które przyniosą korzyści wszystkim podejściom do energii syntezy jądrowej (jak również naszemu zrozumieniu plazmy w kosmosie i przemyśle). W ciągu ostatnich 10 do 15 lat Do wysiłku dołączyły również firmy finansowane ze środków prywatnych, szczególnie w poszukiwaniu kompaktowych tori i przełomów w słabym polu. Nadchodzi postęp, który przyniesie ze sobą obfitą, czystą, bezpieczną energię.

O autorze

Stewart Prager, profesor nauk astrofizycznych, były dyrektor Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton, Princeton University oraz Michael C. Zarnstorff, zastępca dyrektora ds. badań w Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

[Uwaga redaktora: Oto wiadomość ostrzegawcza dotyczące energii syntezy jądrowej.]

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon