Az átmenet ideje és a fúziós energia lehetősége

Évszázadokon át az emberek álmodtak kiaknázva a nap erejét hogy energiával töltsük fel életünket itt a Földön. De túl akarunk lépni a napenergia gyűjtésén, és egy napon saját magunkat előállítjuk egy mini-napból. Ha képesek vagyunk rendkívül összetett tudományos és mérnöki problémák megoldására, a fúziós energia a zöld, biztonságos, korlátlan energiaforrás. Csak egy kilogramm vízből kivont deutérium naponta elegendő áramot tudna biztosítani több százezer ház ellátásához.

Az 1950 -es évek óta a tudományos és mérnöki kutatások óriási előrelépést hozott a hidrogénatomok önfenntartó reakcióban való összeolvadására való kényszerítése felé-valamint a kicsi, de kimutatható összeg a fúziós energiából. Szkeptikusok és támogatók egyaránt vegye figyelembe a két legfontosabb hátralévő kihívást: a reakciók hosszú távú fenntartása és az anyagszerkezet kialakítása a fúziós energia villamosenergia -hasznosítására.

Ahogy a fúziós kutatók a Princeton Plazma Fizikai Lab, tudjuk, hogy reálisan az első kereskedelmi fúziós erőmű még legalább 25 év múlva van. Ám a túlzott előnyök potenciálja a század második felében megérkezik, és folytatnunk kell a munkát. A fúzió megvalósíthatóságának jelentős demonstrációit korábban is meg lehet valósítani - és meg is kell tenni, hogy a fúziós erő beépülhessen energia jövőnk tervezésébe.

Ellentétben a villamosenergia -termelés más formáival, például a napenergiával, a földgázzal és a nukleáris hasadással, a fúziót nem lehet miniatűrben kifejleszteni, majd egyszerűen növelni. A kísérleti lépések nagyok, és időbe telik. De a bőséges, tiszta energia problémája a fő felszólítás az emberiségre a következő évszázadra és azon túl. Hülyeség lenne nem teljes mértékben kiaknázni ezt a legígéretesebb energiaforrást.

Miért fúziós erő?

A fúzió során a hidrogénatom két magja (deutérium és trícium -izotóp) összeolvad. Ezt viszonylag nehéz megtenni: Mindkét mag pozitív töltésű, ezért taszítja egymást. Csak ha rendkívül gyorsan haladnak ütközéskor, akkor összetörnek, összeolvadnak és ezáltal felszabadítják az általunk keresett energiát.


belső feliratkozási grafika


Ez természetes módon történik a napon. Itt a Földön erőteljes mágneseket használunk az elektromos töltésű deutérium- és tríciummagok és elektronok rendkívül forró gázának tárolására. Ezt a forró, feltöltött gázt plazmának nevezik.

A plazma olyan forró - több mint 100 millió Celsius fok -, hogy a pozitív töltésű magok elég gyorsan mozognak ahhoz, hogy legyőzzék elektromos taszításukat és biztosítékukat. Amikor a magok összeolvadnak, két energetikai részecskét képeznek - egy alfa -részecskét (a hélium atommagja) és egy neutront.

A plazma ilyen magas hőmérsékletre történő felmelegítése nagy mennyiségű energiát igényel - ezt a reaktorba kell helyezni, mielőtt a fúzió megkezdődhet. De amint elindul, a fúzió képes elegendő energiát előállítani saját hőjének fenntartásához, lehetővé téve számunkra, hogy a felesleges hőt lehúzzuk, hogy használható elektromos energiává váljunk.

A fúziós energia üzemanyaga bőséges a természetben. A deutérium bőségesen van vízben, és maga a reaktor is képes tríciumot készítsen lítiumból. És minden nemzet számára elérhető, többnyire független a helyi természeti erőforrásoktól.

A fúziós erő tiszta. Nem bocsát ki üvegházhatású gázokat, és csak héliumot és neutront termel.

Biztonságos. Van nincs lehetőség elrepülő reakcióramint egy nukleáris hasadás „összeomlása”. Inkább, ha bármilyen rendellenesség van, a plazma lehűl, és a fúziós reakciók megszűnnek.

Mindezek a tulajdonságok évtizedek óta motiválják a kutatást, és idővel még vonzóbbá válnak. De a pozitívumokkal párosul a fúzió jelentős tudományos kihívása.

Eddigi haladás

A fúzió előrehaladása kétféleképpen mérhető. Az első a magas hőmérsékletű plazmák alapvető megértésének óriási előrelépése. A tudósoknak új fizikai területet kellett kifejleszteniük - plazmafizika - a plazma erős mágneses mezőkbe való behatárolására szolgáló módszerek kidolgozása, majd a szuperhőmérsékletű plazma melegítésére, stabilizálására, turbulenciájának szabályozására és tulajdonságainak fejlesztésére irányuló képességek fejlesztése.

A kapcsolódó technológia is hatalmasat fejlődött. Nekünk van mágnesekben tolta a határokat, és elektromágneses hullámforrások és részecskesugarak a tartalmazza és felmelegíti a plazmát. Olyan technikákat is kifejlesztettünk, hogy az anyagok ellenállnak az erős hőnek a plazmából a jelenlegi kísérletekben.

Könnyű átadni azokat a gyakorlati mérőszámokat, amelyek nyomon követik a fúziós folyamatot a forgalmazásig. Ezek közül a legfontosabb a fúziós energia, amelyet a laboratóriumban állítottak elő: A fúziós energiatermelés milliwattról mikroszekundumokra nőtt az 1970 -es években 10 megawatt fúziós teljesítményre (a Princetoni Plazmafizikai Laboratóriumban) és 16 megawatt egy másodpercig (az angliai Joint European Toruson) az 1990 -es években.

Új fejezet a kutatásban

Most a nemzetközi tudományos közösség egységben dolgozik egy hatalmas fúziós kutató létesítmény építésében Franciaországban. Hívott ITER (Latinul az „út”), ez az üzem körülbelül 500 megawatt hőteljesítményt fog előállítani körülbelül nyolc percig egyszerre. Ha ezt az energiát villamos energiává alakítanák át, körülbelül 150,000 XNUMX házat tudna árammal ellátni. Kísérletként lehetővé teszi számunkra, hogy teszteljük a legfontosabb tudományos és műszaki kérdéseket a folyamatosan működő fúziós erőművek előkészítése során.

Az ITER az úgynevezett „tokamakon”, Eredetileg orosz rövidítés. Ez egy fánk alakú plazmát foglal magában, nagyon erős mágneses mezőben, amelyet részben a plazmában áramló elektromos áram hoz létre.

Bár az ITER kutatási projektként készült, és nem nettó villamosenergia -termelő, az ITER 10 -szer több fúziós energiát fog előállítani, mint a plazma melegítéséhez szükséges 50 megawatt. Ez egy hatalmas tudományos lépés, megalkotva az első „égő plazma”, Amelyben a plazma melegítésére felhasznált energia nagy része magából a fúziós reakcióból származik.

Az ITER -t támogatja a világ lakosságának felét képviselő kormányok: Kína, az Európai Unió, India, Japán, Oroszország, Dél -Korea és az USA Erős nemzetközi kijelentés a fúziós energia szükségességéről és ígéretéről.

Az út előre

Innentől kezdve a fúziós energia felé vezető út két összetevőből áll. Először is folytatnunk kell a tokamak kutatását. Ez azt jelenti, hogy haladni kell a fizikában és a mérnöki tudományban, hogy hónapokig egyensúlyban tudjuk tartani a plazmát. Olyan anyagokat kell kifejlesztenünk, amelyek hosszú ideig képesek ellenállni a nap felszínén lévő hőáram ötödének megfelelő hőmennyiségnek. És olyan anyagokat kell kifejlesztenünk, amelyek bevonják a reaktor magját a neutronok elnyeléséhez és a trícium szaporodásához.

A fúzióhoz vezető út második összetevője olyan ötletek kidolgozása, amelyek növelik a fúzió vonzerejét. Négy ilyen ötlet:

1) Számítógépek segítségével optimalizálja a fúziós reaktorok kialakítását a fizika és a mérnöki korlátok között. Azon felül, amit az emberek kiszámíthatnak, ezek az optimalizált tervek termelnek csavart fánk formák amelyek rendkívül stabilak és hónapokig automatikusan működhetnek. A fúziós üzletágban „csillagászoknak” nevezik őket.

2) Új, magas hőmérsékletű szupravezető mágnesek kifejlesztése, amelyek erősebbek és kisebbek lehetnek a mai legjobb. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy kisebb és valószínűleg olcsóbb fúziós reaktorokat építsünk.

3) A plazmát körülvevő anyag helyett folyékony fémet használunk szilárd anyag helyett. A folyékony fémek nem törnek össze, lehetséges megoldást kínálva arra a hatalmas kihívásra, hogyan viselkedhet a környező anyag a plazmával érintkezve.

4) Fánk alakú plazmákat tartalmazó rendszerek építése nincs lyuk a közepén, alkotó a majdnem gömb alakú plazma. Ezen megközelítések némelyike ​​gyengébb mágneses térrel is működhet. Ezek "kompakt tori”És az„ alacsony mező ”megközelítések a méret és a költségek csökkentésének lehetőségét is kínálják.

Kormány által támogatott kutatási programok világszerte mindkét komponens elemein dolgoznak - és olyan eredményekre vezetnek, amelyek a fúziós energia minden megközelítésének hasznára válnak (valamint a kozmosz és az ipar plazmájának megértésére). Az elmúlt 10-15 évben, magánfinanszírozású vállalatok is csatlakoztak az erőfeszítésekhez, különösen a kompakt tori és az alacsony terepi áttörések keresésében. A haladás jön, és bőséges, tiszta, biztonságos energiát hoz magával.

A beszélgetés

A szerzőről

Stewart Prager, az asztrofizikai professzor, a Princeton Plazmafizikai Laboratórium korábbi igazgatója, Princeton University és Michael C. Zarnstorff, a Princeton Plasma Physics Laboratory kutatási igazgatóhelyettese, Princeton University

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.

[A szerkesztő megjegyzése: Itt van a figyelmeztető üzenet fúziós energiával kapcsolatban.]

Kapcsolódó könyvek:

at InnerSelf Market és Amazon