Eeue lank het mense gedroom die krag van die son gebruik om ons lewens hier op aarde te versterk. Maar ons wil verder gaan as om sonkrag te versamel, en eendag genereer ons van 'n mini-son. As ons 'n uiters komplekse stel wetenskaplike en ingenieursprobleme kan oplos, beloof fusie-energie a groen, veilige, onbeperkte bron van energie. Van net een kilogram deuterium wat uit water per dag onttrek word kan genoeg elektrisiteit kry om honderde duisende huise te dryf.
Sedert die 1950s, het wetenskaplike en ingenieurswese navorsing gegenereer enorme vordering om waterstofatome te dwing om saam te smelt in 'n selfonderhoudende reaksie - sowel as a klein maar aantoonbare bedrag van samesmeltingsenergie. Skeptici en voorstanders let op die twee belangrikste oorblywende uitdagings: handhaaf die reaksies oor lang tydperke en ontwerp 'n materiële struktuur om die kragkrag vir elektrisiteit te benut.
As fusie navorsers by die Princeton Plasma Fisika Lab, ons weet dit realisties, die eerste kommersiële samesmeltingskragsentrale is steeds minstens 25 jaar weg. Maar die potensiaal vir sy buitengewone voordele om in die tweede helfte van hierdie eeu te kom, beteken dat ons moet bly werk. Belangrike demonstrasies van die uitvoerbaarheid van die samesmelting kan vroeër bereik word - en moet, sodat samesmeltingsvermogen opgeneem kan word in die beplanning vir ons energie-toekoms.
In teenstelling met ander vorme van elektriese kragopwekking, soos son-, aardgas- en kernsplyting, kan fusie nie in miniatuur ontwikkel word nie en dan eenvoudig opgeskal word. Die eksperimentele stappe is groot en neem tyd om te bou. Maar die probleem van oorvloedige, skoon energie sal 'n wees groot roeping vir die mensdom vir die volgende eeu en daarna. Dit sal dwaas wees om nie die mees belowende energiebronne ten volle te benut nie.
Waarom fusie krag?
In samesmelting word twee kerne van die waterstofatoom (deuterium en tritium isotope) saamsmelt. Dit is relatief moeilik om te doen: Beide kerne is positief gelaai, en stoot mekaar dus af. Slegs as hulle uiters vinnig beweeg wanneer hulle bots, sal hulle saammekaar smelt en sodoende die energie wat ons na vore bring, loslaat.
Dit gebeur natuurlik in die son. Hier op aarde gebruik ons kragtige magnete om 'n baie warm gas van elektries gelaaide deuterium en tritiumkernen en elektrone te bevat. Hierdie warm, gelaaide gas word 'n plasma genoem.
Die plasma is so warm - meer as 100 miljoen grade Celsius - dat die positief gelaaide kerne vinnig beweeg om hul elektriese afstoting en sekuriteit te oorkom. Wanneer die kerne smelt, vorm hulle twee energieke deeltjies - 'n alfa-deeltjie (die kern van die heliumatoom) en 'n neutron.
Die verhitting van die plasma tot so 'n hoë temperatuur neem 'n groot hoeveelheid energie - wat in die reaktor geplaas moet word voordat samesmelting kan begin. Maar sodra dit gaan, kan fusie die potensiaal hê om genoeg energie op te wek om sy eie hitte te behou, sodat ons oortollige hitte kan trek om bruikbare elektrisiteit te maak.
Brandstof vir fusiekrag is oorvloedig van aard. Deuterium is volop in water, en die reaktor self kan maak tritium uit litium. En dit is beskikbaar vir alle nasies, meestal onafhanklik van plaaslike natuurlike hulpbronne.
Fusie krag is skoon. Dit gee geen kweekhuisgasse uit nie, en produseer slegs helium en 'n neutron.
Dit is veilig. Daar is geen moontlikheid vir 'n weghol-reaksie nie, soos 'n kernversmelting 'ineenstorting'. In plaas daarvan, as daar enige wanfunksie is, word die plasma afgekoel, en die samesmeltingsreaksies hou op.
Al hierdie eienskappe het navorsing vir dekades gemotiveer en het oor die jare selfs meer aantreklik geword. Maar die positiewe is gekoppel aan die beduidende wetenskaplike uitdaging van samesmelting.
Vordering tot op datum
Die vordering in samesmelting kan op twee maniere gemeet word. Die eerste is die geweldige voorgang in die basiese begrip van hoë temperatuur plasma. Wetenskaplikes moes 'n nuwe veld van fisika ontwikkel - plasma fisika - om metodes te begryp om die plasma in sterk magnetiese velde te beperk en dan die vermoëns te ontwikkel om hitte, stabilisering, turbulensie te beheer en die eienskappe van die superhot plasma te meet.
Verwante tegnologie het ook geweldig gevorder. Ons het het die grense in magnete gedruk, en elektromagnetiese golfbronne en deeltjiebalke na bevat en verhit die plasma. Ons het ook tegnieke ontwikkel sodat materiale kan die intense hitte weerstaan van die plasma in huidige eksperimente.
Dit is maklik om die praktiese statistieke oor te dra wat die samesmelting se march tot kommersialisering volg. Hoof van hulle is die samesmeltingskrag wat in die laboratorium gegenereer is: Fusie-kragopwekking het vanaf milliwatts vir mikrosekondes in die 1970s tot 10 megawatt-fusiekrag (by die Princeton Plasma-fisika-laboratorium) gestyg en 16 megawatt vir een sekonde (by die gesamentlike Europese Torus in Engeland) in die 1990s.
'N Nuwe hoofstuk in navorsing
Nou werk die internasionale wetenskaplike gemeenskap in eenheid om 'n massiewe fusie-navorsingsfasiliteit in Frankryk te bou. genoem with (Latyn vir "die pad"), sal hierdie plant ongeveer sowat agt minute op 'n keer oor 500 megawatt van termiese samesmelting genereer. As hierdie krag na elektrisiteit omgeskakel word, kan dit oor 150,000-huise dryf. As 'n eksperiment sal dit ons toelaat om belangrike wetenskap- en ingenieursvraagstukke te toets ter voorbereiding van fusiekragaanlegte wat voortdurend sal funksioneer.
ITER gebruik die ontwerp bekend as die "tokamak, "Oorspronklik 'n Russiese akroniem. Dit behels 'n donutvormige plasma, beperk in 'n baie sterk magnetiese veld, wat deels geskep word deur elektriese stroom wat in die plasma self vloei.
Alhoewel dit ontwerp word as 'n navorsingsprojek, en nie bedoel is om 'n netto produsent van elektriese energie te wees nie, sal ITER 10 keer meer fusie-energie produseer as die 50-megawatt wat nodig is om die plasma te verhit. Dit is 'n groot wetenskaplike stap, wat die eerste "brandende plasma, "Waarin die meeste van die energie wat gebruik word om die plasma te verhit, voortspruit uit die fusie-reaksie self.
ITER word ondersteun deur regerings wat die helfte van die wêreld se bevolking verteenwoordig: China, die Europese Unie, Indië, Japan, Rusland, Suid-Korea en die VSA. Dit is 'n sterk internasionale verklaring oor die behoefte aan en belofte van fusie-energie.
Die pad vorentoe
Van hieruit het die oorblywende pad na fusiekrag twee komponente. Eerstens moet ons voortgaan met navorsing oor die tokamak. Dit beteken die bevordering van fisika en ingenieurswese, sodat ons die plasma in 'n bestendige toestand vir maande op 'n keer kan handhaaf. Ons sal materiaal moet ontwikkel wat 'n hoeveelheid hitte wat gelykstaande is aan een-vyfde die hitte vloed op die oppervlak van die son vir lang tydperke kan weerstaan. En ons moet materiaal ontwikkel wat die reaktor kern sal dein om die neutrone te absorbeer en tritium te ontgin.
Die tweede komponent op die pad na samesmelting is om idees te ontwikkel wat die aantrekkingskrag van samesmelting verbeter. Vier sulke idees is:
1) Met behulp van rekenaars, optimaliseer fusion reaktor ontwerpe binne die beperkinge van fisika en ingenieurswese. Behalwe wat mense kan bereken, produseer hierdie geoptimaliseerde ontwerpe gedraaide donut vorms Dit is hoogs stabiel en kan maande vir maande outomaties funksioneer. Hulle word "stellarators" in die fusiebesigheid genoem.
2) Ontwikkeling van nuwe hoë temperatuur supergeleidende magnete wat sterker en kleiner kan wees as vandag se beste. Dit sal ons toelaat om kleiner, en waarskynlik goedkoper, fusie-reaktore te bou.
3) Gebruik vloeibare metaal, eerder as 'n vaste stof, as die materiaal wat die plasma omring. Vloeimetale breek nie, wat 'n moontlike oplossing bied vir die geweldige uitdaging hoe 'n omliggende materiaal kan optree wanneer dit die plasma kontak.
4) Boustelsels wat donutvormige plasma bevat geen gat in die middel nie, vorming van a plasmavormig amper soos 'n bol. Sommige van hierdie benaderings kan ook funksioneer met 'n swakker magnetiese veld. Hierdie "kompakte tori"En" laeveld "-benaderings bied ook die moontlikheid van verminderde grootte en koste.
Staatsgeborgde navorsingsprogramme Regoor die wêreld is werk aan die elemente van albei komponente - en dit sal lei tot bevindings wat alle benaderings tot fusie-energie bevoordeel (sowel as ons begrip van plasma in die kosmos en industrie). In die verlede 10 tot 15 jaar, privaat befondsde maatskappye het ook die poging aangewend, veral op soek na kompakte tori en lae veld deurbrake. Vordering kom en dit sal groot, skoon, veilige energie daarmee saambring.
Oor Die Skrywer
Stewart Prager, Professor van Astrofisiese Wetenskap, voormalige direkteur van die Princeton Plasma Fisika Laboratorium, Princeton Universiteit en Michael C. Zarnstorff, Adjunkdirekteur vir Navorsing, Princeton Plasma Fisika Laboratorium, Princeton Universiteit
Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.
[Redakteur se Nota: Hier is 'n waarskuwing boodskap aangaande samesmeltingsenergie.]
Verwante Boeke:
at InnerSelf Market en Amazon
