I århundreder har mennesker drømt om udnytte solens kraft for at give vores liv energi 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, lover fusionsenergi en grøn, sikker, ubegrænset energikilde. Fra bare et kilo deuterium ekstraheret fra vand om dagen kunne komme nok elektricitet til at drive hundreder af tusinder af hjem.

Siden 1950'erne har videnskabelig og teknisk forskning gjort det genererede enorme fremskridt mod at tvinge brintatomer til at smelte sammen i en selvbærende reaktion - såvel som en lille, men påviselig mængde af fusionsenergi. Skeptikere og fortalere bemærk de to vigtigste resterende udfordringer: at opretholde reaktionerne over lange perioder og udtænke en materiel struktur for at udnytte fusionskraften til elektricitet.

Som fusionsforskere ved Princeton Plasma Physics Lab, vi ved, at det første kommercielle fusionskraftværk realistisk set stadig er mindst 25 år væk. Men potentialet for dets store fordele ved at ankomme i anden halvdel af dette århundrede betyder, at vi skal fortsætte med at arbejde. Større demonstrationer af fusions gennemførlighed kan opnås tidligere - og skal, så fusionskraft kan indarbejdes i planlægningen af ​​vores energifremtid.

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

Hvorfor fusionskraft?

I fusion er to kerner af hydrogenatomet (deuterium og tritiumisotoper) sikring sammen. Dette er relativt vanskeligt at gøre: Begge kerner er positivt ladede og afviser derfor hinanden. Kun hvis de bevæger sig ekstremt hurtigt, når de kolliderer, smadrer de sammen, smelter sammen og frigiver derved den energi, vi er ude efter.

Dette sker naturligt i solen. Her på Jorden bruger vi stærke magneter til at indeholde en ekstremt varm gas af elektrisk ladede deuterium- og tritiumkerner og elektroner. Denne varme, ladede 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, danner de to energiske partikler - en alfapartikel (heliumatomens kerne) og en neutron.

Opvarmning af plasmaet til en så høj temperatur tager en stor mængde energi - som skal sættes i reaktoren inden fusion kan begynde. Men når det først går i gang, har fusion potentialet til at generere nok energi til at opretholde sin egen varme, så vi kan trække overskydende varme ud til at blive brugbar elektricitet.

Brændstof til fusionskraft er rigeligt i naturen. Deuterium er rigeligt med vand, og reaktoren selv kan lav tritium af lithium. Og den er tilgængelig for alle nationer, for det meste uafhængig af lokale naturressourcer.

Fusionskraft er ren. Den udsender ingen drivhusgasser og producerer kun helium og en neutron.

Det er sikkert. Der er ingen mulighed for en løbende reaktion, som en "nedbrydning" af nuklear fission. I stedet for, hvis der er nogen funktionsfejl, afkøles plasmaet, og fusionsreaktionerne ophører.

Alle disse attributter har motiveret forskning i årtier og er blevet endnu mere attraktive over tid. Men de positive matches matches af den betydelige videnskabelige udfordring ved fusion.

Fremskridt til dato

Fusionens fremskridt kan måles på to måder. Den første er det enorme fremskridt i grundlæggende forståelse af højtemperaturplasmaer. Forskere måtte udvikle et nyt felt inden for fysik - plasmafysik - at udtænke metoder til at begrænse plasmaet i stærke magnetfelter og derefter udvikle evnerne til opvarmning, stabilisering, kontrol af turbulens i og måling af superhot-plasmaets egenskaber.

Relateret teknologi har også udviklet sig enormt. Vi har skubbede grænserne i magneter, og elektromagnetiske bølgekilder og partikelstråler til indeholde og opvarme plasmaet. Vi har også udviklet teknikker, så materialer kan modstå den intense varme af plasmaet i aktuelle eksperimenter.

Det er let at formidle de praktiske målinger, der sporer fusions 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 (på Joint European Torus i England) i 1990'erne.

Et nyt kapitel inden for forskning

Nu arbejder det internationale videnskabelige samfund i enhed for at konstruere et massivt fusionsforskningsanlæg i Frankrig. Hedder ITER (Latin på "måde"), vil dette anlæg generere omkring 500 megawatt termisk fusionseffekt i cirka otte minutter ad gangen. Hvis denne strøm blev konverteret til elektricitet, kunne den drive omkring 150,000 hjem. Som et eksperiment giver det os mulighed for at teste vigtige videnskabelige og tekniske spørgsmål som forberedelse til fusionskraftværker, der fungerer kontinuerligt.

ITER anvender designet kendt som “tokamakken, ”Oprindeligt et russisk akronym. Det involverer et doughnutformet plasma, begrænset i et meget stærkt magnetfelt, som delvist er skabt af elektrisk strøm, der strømmer i selve plasmaet.

Selvom det er designet som et forskningsprojekt og ikke er beregnet til at være en nettoproducent af elektrisk energi, vil ITER producere 10 gange mere fusionsenergi end de 50 megawatt, der er nødvendige for at opvarme plasmaet. Dette er et kæmpe videnskabeligt skridt, der skaber det første “brændende plasma, ”Hvor det meste af den energi, der bruges til opvarmning af plasma, kommer 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 løftet om fusionsenergi.

Vejen frem

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

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

1) Brug computere til at optimere fusionsreaktordesign inden for fysik og teknik. Ud over hvad mennesker kan beregne, producerer disse optimerede designs snoede donutformer der er meget stabile og kan fungere automatisk i flere måneder. De kaldes "stellatorer" i fusionsbranchen.

2) Udvikling af nye højtemperatur superledende magneter, der kan være stærkere og mindre end dagens bedste. Det giver os mulighed for at bygge mindre og sandsynligvis billigere fusionsreaktorer.

3) Brug af flydende metal i stedet for et fast stof som det materiale, der omgiver plasmaet. Flydende metaller knækker ikke, der tilbyder 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 doughnutformede plasmaer med intet hul i midten, danner en plasma formet næsten som en kugle. Nogle af disse tilgange kan også fungere med et svagere magnetfelt. Disse "kompakt tori”Og” low-field ”tilgange giver også muligheden for reduceret størrelse og omkostninger.

Regeringsstøttede forskningsprogrammer overalt 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 privatfinansierede virksomheder har også tilsluttet sig indsatsen, især på jagt efter kompakte tori og gennembrud i lavt felt. Fremskridt kommer, og det vil bringe rigelig, ren, sikker energi med sig.

Om forfatteren

Stewart Prager, professor i astrofysisk videnskab, tidligere direktør for Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University og Michael C. Zarnstorff, vicedirektør for forskning, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.

[Editorens bemærkning: Her er en advarselsmeddelelse vedrørende fusionsenergi.]

Relaterede Bøger:

at InnerSelf Market og Amazon