Hvorfor er der brug for termonuklear energi?
For at forhindre, at den globale temperatur stiger med mere end 1,5
Hvad hvis der var en energiløsning, der kunne løse alle disse presserende problemer? Selvom dette lyder fantastisk, eksisterer det.
En af de mest magtfulde energiformer vivi bruger i dag er nuklear energi. Selvom moderne atomkraft er ekstremt effektiv og genererer nul kulstofemissioner, har den mange ulemper, og de er alvorlige: potentiel nuklear smeltning og radioaktivt affald, der forbliver farligt i tusinder af år.
Men der er en bedre måde.
Hvad er termonuklear fusion, og hvordan kan den anvendes på Jorden?
Alle nuværende atomreaktorer fungerer medved hjælp af nuklear fission, processen med at opdele atomer for at producere energi. I årevis har forskere spekuleret på, hvordan vi kan bruge den omvendte proces - nuklear fusion, som "driver" solen ved at knytte atomer sammen - til at imødekomme de voksende energibehov på Jorden. Selve termonuklear fusion er en superkraftig proces, flere gange mere kraftfuld end fission, og fører ikke til dannelse af nukleart affald, da dens brændstof ikke er uran eller plutonium, men brint. Faktisk, hvis udviklingen af en termonuklear reaktor er vellykket, vil forskere skabe en "mini-sol" på Jorden.
"Opnåelse af kontrollerede termonukleare reaktioner,som forbruger mere energi, end der kræves for at generere dem og betragtes kommercielt som et potentielt svar på klimaforandringer, ”forklarer videnskabskorrespondent Nathaniel Gronevold for Scientific American. ”Fusionsenergi vil eliminere behovet for fossile brændstoffer og løse diskontinuitets- og pålidelighedsproblemer, der ligger i vedvarende energi. Energi vil blive genereret uden den farlige mængde stråling, der giver anledning til bekymring for nuklear fissionsenergi. "
Tjenestemænd fra International ThermonuclearExperimental Reactor (ITER), et multinationalt projekt med base i det sydlige Frankrig, meddelte, at de nu kun er 6,5 år fra First Plasma, en historisk milepæl. ITER-projektet, støttet af et konsortium i 35 lande, er nu 65% færdigt, ifølge en pressemeddelelse i denne uge. Den nyinstallerede sektion - bunden af kryostaten og den nederste cylinder - baner vejen for installationen af tokamak, den teknologiske struktur, der er valgt til at rumme det kraftige magnetfelt, der omgiver fusionskernen i det supervarme plasma.
Problemer med kernefusion
Atomfusion er så vanskelig at opnå på grund afekstreme forhold - for eksempel i Solens kerne - der skal gengives her på Jorden. Som forklaret i det amerikanske energiministerium "undersøges termonukleare reaktioner af forskere, men de er vanskelige at opretholde over lange perioder på grund af det enorme tryk og den temperatur, der kræves for at smelte kerner."
Fusionsenergi kræver indeslutning af et meget varmt plasma under højt tryk.Til magnetisk indeslutning, meget varmt - mange gange varmere end midtenSolplasmaer kræver stærke magnetfelter, som skal være 10 gange det atmosfæriske tryk på jordens overflade.Magnetfeltets styrke er en kritisk parameter for at opnå disse forhold, da det giverBåde isolering for at holde plasmaet varmt og eksternt tryk for at holde det stabilt – alt sammen uden fysisk kontakt mellem plasmaet og materialets overflade.
Selvom nuklear fusion producererutrolige udsigter til at løse nogle af de mest vanskelige problemer i den moderne verden, tiden tikker, og mange eksperter siger, at selvom fusion er lige om hjørnet, er tiden ikke på vores side. Selvom det er håbet, at ITER vil blive lanceret i 2025 og fuldt operationelt omkring 2035, kan det være for sent. Tilbage i 2019 argumenterede klimaeksperter for, at den 12-årige frist, som det mellemstatslige panel gav verden til at vende planetens skiftende situation, måske skulle skæres ned til 18 måneder. Hans Joachim Schellnhuber fra Potsdam Climate Institute forklarede det på denne måde for et år siden: "Klimamatematikken er krystalklar: selvom verden måske ikke bliver helbredt i de næste par år, kan den blive dødeligt såret af uagtsomhed før 2020."
Men i denne uge er håbet om ren energi genoplivet.
SPARC-projekt
Forskere udvikler en kompakt versionEn atomfusionsreaktor har i en række forskningsartikler vist sig at virke, hvilket genopliver håbet om, at det længe undvigende mål om at efterligne solens energiproduktion kan nås og i sidste ende bidrage til kampen mod klimaændringer.
Center for Plasma Research og ThermonuclearMIT i samarbejde med privatejet startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) udvikler SPARC konceptprojektet. Dette er et kompakt højspændingseksperiment med ren termonuklear energi. SPARC forventes at være størrelsen på eksisterende mellemfusionsenheder, men med et meget stærkere magnetfelt. Baseret på fysikens love håber forskere, at enheden vil producere 50-100 MW termonuklear kraft. Et sådant eksperiment vil være den første demonstration af skabelsen af ren energi og muligheden for at oprette en enhed bygget ved hjælp af ny superledende teknologi. SPARC er en del af en overordnet strategi for at fremskynde fusionsudvikling gennem brug af nye højfeltsmagneter med høj temperatur superledende (HTSC).
Sparc-fusionskraftværket vil være relativt lille som vist på dette billede af reaktionskammeret.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Byggetid
Det forventes, at konstruktionen af reaktoren underNavnet SPARC, der udvikles af forskere ved Massachusetts Institute of Technology og et datterselskab af Commonwealth Fusion Systems, begynder næste forår og vil tage tre eller fire år, sagde forskere og embedsmænd.
Selvom der stadig er mange alvorlige problemer,virksomheden sagde, at byggeriet ville blive efterfulgt af forsøg og, hvis det lykkedes, et kraftværk, der kunne bruge fusionsenergi til at generere elektricitet startende i det næste årti.
Denne ambitiøse tidsplan er meget hurtigere endverdens største fusionsenergiprojekt, et multinationalt projekt i Sydfrankrig kaldet ITER. Denne reaktor har været under konstruktion siden 2013, og selvom den ikke er designet til at generere elektricitet, forventes den at producere fusionsreaktioner i 2035.
Bob Mumgaard, administrerende direktør for CommonwealthFusion, og en af grundlæggerne af virksomheden, sagde, at målet med SPARC-projektet er at udvikle fusion i tide til at spille en rolle i at afbøde virkningerne af global opvarmning. ”Vi er fokuseret på at få termonuklear energi så hurtigt som muligt,” sagde han.
Termonuklear fusion, hvor lette atomerat komme sammen ved temperaturer på titusinder af millioner grader for at frigive energi er blevet en måde, hvorpå verden kan klare klimaforandringernes virkninger af elproduktion.
Ligesom et konventionelt nukleart fissionskraftværk, der spalter atomer, vil et fusionsanlæg ikke brænde fossile brændstoffer og vil ikke producere drivhusgasemissioner.
Projektkritik
På trods af projektets ambitioner, forhindringer i vejenskabelsen af en maskine, der er i stand til at skabe fusionsplasma og manipulere en hvirvlende super-varm sky af atomer, der beskadiger eller ødelægger alt, hvad den rører ved, er enorm.
Nogle forskere, der har arbejdet med termonuklear kraft i årtier, siger at mens de er begejstrede for Sparc's udsigter, kan tidslinjen være direkte urealistisk.
”Læsning af disse dokumenter (forskningsopgaver- ca. red.) giver mig en fornemmelse af, at udviklerne vil have det kontrollerede termonukleære termonukleære plasma, som vi alle drømmer om, ”sagde Carey Forest, en fysiker ved University of Wisconsin, der ikke er involveret i projektet. Han er dog ikke sikker på, om projektets tidslinje er realistisk.
Ifølge Dr. Mumgaard vil SPARC være megetmindre end en ITER - størrelsen af en tennisbane sammenlignet med en fodboldbane - og meget billigere end et internationalt projekt, der ifølge officielle skøn vil koste omkring 22 milliarder dollars, men dette tal er ikke grænsen. Commonwealth Fusion, der blev grundlagt i 2018 og har omkring 100 ansatte, har hidtil samlet 200 millioner dollars til sit projekt.
Forskelle mellem Sparc og ITER
Siden de begyndte for næsten et århundrede sidenfusionseksperimenter, er udsigten til at skabe en praktisk fusionsenhed, der kan producere mere energi, end den bruger, forblevet uhåndgribelig.
Men ifølge resultaterne af videnskabsmænd i The Journal of Plasma Physics, vil SPARC-projektet lykkes og vil producere 10 gange mere energi, end det forbruger.
Forskning "bekræfter, at projektet erden, vi arbejder med, vil sandsynligvis fungere, ”sagde Martin Greenwald, vicedirektør for MIT Center for Plasma Research and Fusion og en af projektets førende forskere. Dr. Greenwald er grundlægger af Commonwealth Fusion, men er i øjeblikket ikke tilknyttet virksomheden.
SPARC bruger den samme enhedstype somITER: En tokamak eller et doughnutformet kammer, inden for hvilket en fusionsreaktion finder sted. Fordi plasmaskyen er så varm - varmere end solen - skal den holdes tilbage af magnetiske kræfter.
ITER gør dette ved hjælp af enorme elektromagnetiske spoler, der indeholder superledende ledninger, der skal afkøles med flydende helium.
Model af ITER-fusionsreaktor (tværsnit)
CC BY-SA 2.0 fr
Ifølge Greenwald bruger SPARCfordelene ved en ny elektromagnetisk teknologi, der bruger såkaldte højtemperatur superledere, som kan skabe et meget stærkere magnetfelt. Som et resultat er plasmaet meget mindre.
Dokumenterne viser, at “denne vej med højmarken ser stadig levedygtig ud, ”sagde Dr. Greenwald. "Hvis vi kan overvinde de tekniske udfordringer, fungerer denne maskine, som vi forudsiger."
Commonwealth Fusion sagde, at det vil annoncere SPARC-opholdsstedet om et par måneder.
Hvem ellers arbejder med termonuklear energi, og er der noget håb?
Commonwealth Fusion — лишь одна из многих virksomheder, der arbejder med udvikling og kommercialisering af fusionsenergi i partnerskab med forskningsinstitutioner, støttet af hundreder af millioner dollars i investering.
For eksempel, TAE Technologies, basereti det sydlige Californien arbejder på et design, der bruger en lineær enhed, der skyder to skyer af plasma mod hinanden for at producere nuklear fusion.
First Light Fusion, et datterselskab af University of Oxford i England, bruger energi til at komprimere og komprimere termonukleært brændstof.
Dr Forest sagde:Ved at bruge stærkere magnetfelter kan SPARC siges at være mere "konservativ". “Dette adskiller det fuldstændig fra alle startups, som per definition er mere risikabelt,« understreger han.
William Dorland, fysiker ved University of Maryland ogredaktøren af The Journal of Plasma Physics sagde, at tidsskriftet havde bedt repræsentanter for nogle af disse fusionsprojekter om at "tale om deres fysik." MIT og Commonwealth Fusion-gruppen blev hurtigt enige, sagde han.
”Fra mit synspunkt er dette den første af disse grupper,som har private penge, hvilket faktisk er meget klart, hvad de laver, ”sagde Dr. Dorland. - Rimelige mennesker er uenige om, om det fungerer. Men jeg er bare glad for, at de er steget op og fortæller os ved hjælp af normal videnskab, hvad der sker, ”slutter han.
I sidste ende, hvilke konsekvenser man kan forvente afudvikler en fusionsreaktor? Hvis teknologiske processer debugges og kontrolleres, vil det redde menneskeheden. Ren energi fra fusion af atomer i stedet for fission vil i det mindste beskytte planeten mod atomaffald.
Hvad er bundlinjen?
På trods af al faren og kompleksiteten af projekter påudvikling af termonuklear fusion, ser det ikke ud til, at menneskeheden har nogen alternativer. Planetens muligheder er begrænsede, i modsætning til menneskelige behov. Om SPARC, ITER eller en hvilken som helst startup vil opfylde deres løfter, vil tiden vise.
Læs også
Forsker har skabt en maling, der kan erstatte dyre solpaneler
CHEOPS-missionen har fundet en planet med de hårdeste forhold i universet. det vigtigste
Astronomer har opdaget en måneaccelerator fra 60'erne. Han er på vej mod Jorden