Hvad er nuklear fusion?
Nuklear fusion (i dette tilfælde nuklear fusion) er en reaktion
Ifølge moderne astrofysiskforestillinger, den vigtigste energikilde fra Solen og andre stjerner er termonuklear fusion, der forekommer i deres dybde. Under jordbundsforhold udføres det med eksplosionen af en brintbombe. Termonuklear fusion ledsages af en kolossal frigivelse af energi pr. Masseenhed af reagerende stoffer (ca. 10 millioner gange mere end i kemiske reaktioner). Derfor er det af stor interesse at mestre denne proces og på basis heraf skabe en billig og miljøvenlig energikilde. På trods af at store videnskabelige og tekniske teams i mange udviklede lande er involveret i forskning i kontrolleret termonuklear fusion (CTF), er der stadig mange komplekse problemer, der skal løses, inden den industrielle produktion af termonuklear energi bliver en realitet.
Moderne atomkraftværker, der bruger fissionsprocessen, opfylder kun delvist verdens elektricitetsbehov.De drives af de naturligt forekommende radioaktive elementer uran og thorium, hvis overflod og reserver i naturen er meget begrænsede; Derfor er der for mange lande enHovedkomponenten i fusionsbrændstof er isotopen af hydrogen, deuterium, som findes i havvand.Dens reserver er offentligt tilgængelige og meget store (verdenshavet dækker ~ 71% af jordens overfladeareal, og deuterium tegner sig for ca. 0, 016% af det samlede antal hydrogenatomer, der udgør vand).
Ud over tilgængeligheden af brændstof har termonukleære energikilder følgende vigtige fordele i forhold til atomkraftværker:
- CTS-reaktoren indeholder meget mindre radioaktive materialer end en nuklear fissionsreaktor, og konsekvenserne af utilsigtet frigivelse af radioaktive produkter er derfor mindre farlige;
- termonukleare reaktioner genererer mindre langlivet radioaktivt affald;
- TCB tillader direkte produktion af elektricitet.
Den vellykkede implementering af fusionsreaktionen afhænger af egenskaberne af de anvendte atomkerner og muligheden for at opnå et tæt højtemperaturplasma, som er nødvendigt for at starte reaktionen.
Hvordan frigives energi under fusion?
Frigivelse af energi under nuklear fusion skyldesekstremt intense tiltrækningskræfter, der virker inde i kernen; disse kræfter holder protoner og neutroner, der udgør kernen, sammen. De er meget intense og forfald ekstremt hurtigt med afstand. Ud over disse kræfter skaber positivt ladede protoner elektrostatiske frastødningskræfter. Handlingsradien for elektrostatiske kræfter er meget større end kernekraftens, så de begynder at sejre, når kernerne fjernes fra hinanden.
Under normale forhold, den kinetiske energi af kernerlysatomer er for små til at overvinde den elektrostatiske frastødning, de kunne nærme sig og indgå i en atomreaktion. Imidlertid kan frastødningen overvindes ved "brutal" kraft, for eksempel ved at kollidere kerner med høj relativ hastighed.
Hvorfor laver forskere kernefusion?
Forskere, der udvikler termonuklearen reaktor, der kan generere mere strøm, end den bruger, har vist i en række nylige arbejder, at deres design skal fungere, hvilket genopretter optimisme om, at denne rene, ubegrænsede energikilde vil hjælpe med at lindre klimakrisen.
En gruppe forskere fra MassachusettsInstitute of Technology (MIT) og andre institutter erklærer, at den kompakte fusionsreaktor SPARC fungerer i virkeligheden. I det mindste i teorien, som de hævder i en række nyligt offentliggjorte undersøgelser.
Holdet påpeger, at der under planlægningsfasen nringen uventede forhindringer eller overraskelser blev fundet. Dette fremgår af syv artikler skrevet af 47 forskere fra 12 forskellige videnskabelige institutioner.
Selvom den nye reaktor stadig er i de tidlige udviklingsstadier, håber forskerne, at den ved udgangen af årtiet vil være i stand til at Martin Greenwald, en af projektets seniorforskere, fortalte The Guardian, at en vigtig motivation for den ambitiøse tidslinje er at imødekomme energibehovet i et varmere miljø."Fusion virker som en af de mulige løsninger for at komme ud af den truende klimakatastrofe," sagde han.
Hvad er problemet med fusion, og hvordan kan det hjælpe planeten?
Kernefusion, en fysisk proces, derat drive vores sol opstår, når atomer kolliderer sammen ved ekstremt høje temperaturer og tryk, hvilket får dem til at frigive enorme mængder energi ved at smelte sammen med tungere atomer.
Siden det blev opdagetI det sidste århundrede har videnskabsmænd forsøgt at udnytte kernefusion, en ekstremt tæt form for energi, hvis brændstof - brintisotoper - er rigeligt og genopbygget. Desuden producerer nuklear fusion ikke drivhusgasser eller kulstof og indebærer i modsætning til nukleare fissionsreaktorer ikke risikoen for en nedsmeltning.
Men brugen af denne form for atomenergiviste sig ekstremt vanskeligt, fordi det krævede opvarmning af "suppen af subatomære partikler" - plasma - til hundredvis af millioner grader - for varm til at nogen beholder kunne håndtere. For at komme uden om dette har forskere udviklet et donutformet kammer med et stærkt magnetfelt, der løber igennem det, kaldet en tokamak, som holder plasmaet på plads.
Hvad er der allerede under udvikling?
Massachusetts Institute of Technology forskereog datterselskabet Commonwealth Fusion Systems begyndte at designe en ny reaktor, mere kompakt end sine forgængere, i begyndelsen af 2018, og byggeriet startede i første halvdel af næste år. Hvis deres tidsplan går efter planen, kunne en reaktor kaldet Sparc producere elektricitet til nettet i 2030, ifølge forskere og virksomhedsembedsmænd. Dette vil være meget hurtigere end de eksisterende store fusionsenergiinitiativer.
Nuværende reaktordesign er for stortog veje til rent faktisk at generere elektricitet til forbrugerne. Ved at bruge banebrydende, ultrastærke magneter håber MIT og Commonwealth Fusion-teamet at skabe en kompakt, effektiv og skalerbar tokamak-reaktor. "Det, vi virkelig har gjort, er at kombinere eksisterende videnskab med nyt materiale for at åbne enorme nye muligheder," sagde Greenwald.
Efter at have demonstreret, at Sparc-enhedenkunne teoretisk producere mere energi, end der kræves til drift, i forskningsartikler, der blev offentliggjort i september, er næste trin at bygge en reaktor og derefter et pilotanlæg, der genererer elektricitet på nettet.
Alle fordele og ulemper ved nuklear fusion
Forskere og iværksættere har længe lovet dettermonuklear fusion er lige rundt om hjørnet, men står over for uoverstigelige problemer. Dette har forårsaget modvilje mod at investere i det, især da vind-, sol- og andre vedvarende energikilder, selvom de er mindre magtfulde end fusion, er blevet mere effektive og omkostningseffektive.
Men situationen ændrer sig.I Bidens $ 2 billioner plan kaldte han avanceret nuklear teknologi som en del af en strategi for dekarbonisering. Demokrater har støttet atomkraft for første gang siden 1972. Der kommer også betydelige investeringer fra private kilder, herunder nogle store olie- og gasselskaber, der ser fusion som et bedre langsigtet fodfæste end vind og sol.
Ifølge Bob Mumgaard, direktørDirektør for Commonwealth Fusion, målet er ikke at bruge fusion til at erstatte sol- og vindenergi, men at supplere dem. "Der er ting, der vil være vanskelige at gøre med vedvarende energi alene, i industriel skala, såsom at drive store byer eller produktion," sagde han. "Det er her syntese kan komme til nytte."
Plasmasamfundet som helhed er begejstret for Sparc's fremskridt, selvom nogle sætter spørgsmålstegn ved den ambitiøse tidslinje givet tekniske og lovgivningsmæssige forhindringer.
Daniel Jessby, 25 års videnskabelig forskningen medarbejder ved Princeton Plasma Physics Laboratory, er skeptisk, om en fusionsreaktor som SPARC nogensinde kan blive en mulig alternativ energikilde. Tritium, en af isotoperne af brint, som Sparc vil bruge som brændstof, forekommer ikke i naturen og skal produceres, sagde han.
Massachusetts teknologiske teamInstituttet antager, at dette stof regenereres kontinuerligt ved selve syntesereaktionen. Men Jessby mener, at dette vil kræve en enorm mængde elektricitet, hvilket gør reaktoren uoverkommeligt dyr. ”Når du tror, at vi får sol- og vindenergi gratis, ville det være dumt at stole på en fusionsreaktion,” konkluderer han.
Læs mere
Forskning: mennesker vil ikke være i stand til at kontrollere superintelligente AI-maskiner
Abort og videnskab: hvad vil der ske med de børn, der føder
Tjek de smukkeste billeder af Hubble. Hvad har teleskopet set i 30 år?