Miksi lämpöydinenergiaa tarvitaan?
Jotta maapallon lämpötila ei nouse yli 1,5
Entä jos olisi olemassa yksi energiaratkaisu, joka voisi ratkaista kaikki nämä kiireelliset ongelmat? Vaikka tämä kuulostaa upealta, se on olemassa.
Yksi voimakkaimmista energiamuodoistajota käytämme tänään, on ydinenergia. Vaikka nykyaikainen ydinvoima on erittäin tehokasta ja synnyttää hiilidioksidipäästöjä nolla, sillä on monia haittoja, ja ne ovat vakavia: mahdolliset ydinsulat ja radioaktiiviset jätteet, jotka ovat vaarallisia tuhansien vuosien ajan.
Mutta on parempi tapa.
Mikä on ydinfuusio ja miten sitä voidaan käyttää maapallolla?
Kaikki nykyiset ydinreaktorit toimivatkäyttämällä ydinfissiota, atomien halkaisuprosessia energian tuottamiseksi. Vuosien ajan tutkijat ovat miettineet, kuinka voimme käyttää käänteistä prosessia - ydinfuusiota, joka "valtaa" aurinkoa liittämällä atomeja yhteen - vastaamaan maapallon kasvavaan energiantarpeeseen. Itse lämpöydinfuusio on erittäin voimakas prosessi, useita kertoja voimakkaampi kuin fissio, eikä se johda ydinjätteen muodostumiseen, koska sen polttoaine ei ole uraania tai plutoniumia, vaan vetyä. Itse asiassa, jos lämpöydinreaktorin kehittäminen onnistuu, tutkijat luovat "miniauringon" maan päälle.
"Hallittujen ydinreaktioiden saavuttaminen,jotka kuluttavat enemmän energiaa kuin tarvitaan niiden tuottamiseksi, ja niiden katsotaan kaupallisesti olevan potentiaalinen vastaus ilmastonmuutokseen ", selittää tiedekirjeenvaihtaja Nathaniel Gronevold Scientific Americanista. "Fuusioenergia poistaa fossiilisten polttoaineiden tarpeen ja ratkaisee uusiutuviin energialähteisiin liittyvät epäjatkuvuus- ja luotettavuuskysymykset. Energiaa tuotetaan ilman vaarallista määrää säteilyä, joka aiheuttaa huolta ydinfissioenergiasta. "
Kansainvälisen lämpöydinviraston virkamiehetKokeellinen reaktori (ITER), Etelä-Ranskassa toimiva monikansallinen projekti, ilmoitti olevansa vain 6,5 vuoden päässä historiallisesta virstanpylväästä, ensimmäisestä plasmasta. Tämän viikon lehdistötiedotteen mukaan ITER-projekti, jota tukee 35 maan konsortio, on tällä hetkellä 65% valmis. Äskettäin asennettu osa - kryostaatin pohja ja pohjasylinteri - tasoittaa tietä tokamakin, teknisen rakenteen, asentamiseen, joka on valittu sijoittamaan voimakas magneettikenttä, joka ympäröisi superkuuman plasman fuusiosydämen.
Ydinfuusio-ongelmat
Ydinfuusio on niin vaikea toteuttaa sen vuoksiäärimmäiset olosuhteet - esimerkiksi Auringon ytimessä - jotka on toistettava täällä maan päällä. Kuten Yhdysvaltain energiaministeriössä selitettiin, "tutkijat tutkivat lämpöydinreaktioita, mutta niitä on vaikea ylläpitää pitkiä aikoja ytimien fuusioimiseksi tarvittavan valtavan paineen ja lämpötilan vuoksi".
Fuusioenergia vaatii eristämisenerittäin kuuma plasma korkeassa paineessa. Erittäin kuuman – monta kertaa Auringon keskustaa kuumemman – plasman magneettinen sulkeminen vaatii voimakkaita magneettikenttiä. Niiden on oltava 10 kertaa ilmakehän paineita Maan pinnalla. Magneettikentän voimakkuus on kriittinen parametri näiden olosuhteiden saavuttamisessa, sillä se tarjoaa sekä eristyksen, joka pitää plasman kuumana, että ulkoisen paineen, joka pitää sen vakaana – kaikki ilman fyysistä kosketusta plasman ja materiaalin pinnan välillä.
Vaikka ydinfuusio tuottaauskomattomat näkymät joidenkin nykymaailman vaikeimpien ongelmien ratkaisemiseen, aika tikittää, ja monet asiantuntijat sanovat, että vaikka fuusio on aivan nurkan takana, aika ei ole meidän puolellamme. Vaikka ITERin toivotaan käynnistyvän vuoteen 2025 mennessä ja olevan täysin toimintakunnossa noin 2035, tämä voi olla liian myöhäistä. Vuonna 2019 ilmastoasiantuntijat väittivät, että hallitustenvälisen paneelin maailmalle antama 12 vuoden määräaika planeetan muuttuvan tilanteen kääntämiselle on ehkä lyhennettävä 18 kuukauteen. Hans Joachim Schellnhuber Potsdamin ilmastoinstituutista selitti asian näin vuosi sitten: "Ilmaston matematiikka on kristallinkirkasta: vaikka maailma ei ehkä parantuisi lähivuosina, se voi olla hengenvaarallinen huolimattomuuden vuoksi ennen vuotta 2020."
Tällä viikolla toiveet puhtaasta energiasta ovat kuitenkin palanneet uudestaan.
SPARC-projekti
Tiedemiehet kehittävät kompaktia versiotaYdinfuusioreaktorin on osoitettu toimivan useissa tutkimuspapereissa, mikä herättää toiveita siitä, että pitkään saavuttamaton tavoite jäljitellä auringon energiantuotantoa voidaan saavuttaa ja viime kädessä edistää ilmastonmuutoksen torjuntaa.
Plasmatutkimuksen ja lämpöydinkeskuksen keskusMIT kehittää yhteistyössä yksityisomistuksessa olevan startup-yrityksen Commonwealth Fusion Systems (CFS) kanssa SPARC-konseptisuunnittelua. Tämä on kompakti suurjännitekokeilu puhtaalla ydinvoimalla. SPARC: n odotetaan olevan olemassa olevien keskitason fuusiolaitteiden koko, mutta sillä on paljon voimakkaampi magneettikenttä. Fysiikan lakien perusteella tutkijat toivovat, että laite tuottaa 50-100 MW lämpöydintehoa. Tällainen koe on ensimmäinen osoitus puhtaan energian luomisesta ja mahdollisuudesta luoda laite, joka on rakennettu uudella suprajohtavalla tekniikalla. SPARC on osa yleistä strategiaa, jolla nopeutetaan fuusiokehitystä käyttämällä uusia korkean kentän, korkean lämpötilan suprajohtavia (HTSC) magneetteja.
Sparc-fuusiovoimala on suhteellisen pieni, kuten tässä reaktiokammion kuvassa näkyy.
T.Henderson / CFS / MIT-PSFC
Rakennusaika
On odotettavissa, että reaktorin rakentaminen alleNimi SPARC, jota Massachusetts Institute of Technologyn ja Commonwealth Fusion Systems -yrityksen tytäryhtiön tutkijat kehittävät, alkaa ensi keväänä ja kestää kolme tai neljä vuotta, tutkijat ja yrityksen virkamiehet sanoivat.
Vaikka vakavia ongelmia on edelleen monia,Yhtiön mukaan rakentamista seuraisivat kokeilut ja onnistumisen jälkeen voimalaitos, joka voisi käyttää fuusioenergiaa sähkön tuottamiseen seuraavalla vuosikymmenellä.
Tämä kunnianhimoinen aikataulu on paljon nopeampi kuinmaailman suurin fuusioenergiaprojekti, monikansallinen Etelä-Ranskan hanke nimeltä ITER. Tätä reaktoria on rakenteilla vuodesta 2013, ja vaikka sitä ei ole suunniteltu tuottamaan sähköä, sen odotetaan tuottavan fuusioreaktioita vuoteen 2035 mennessä.
Bob Mumgaard, Commonwealthin toimitusjohtajaFusion ja yksi yrityksen perustajista sanoivat, että SPARC-projektin tavoitteena on kehittää fuusio ajoissa, jotta sillä olisi merkitystä ilmaston lämpenemisen vaikutusten lieventämisessä. "Olemme keskittyneet saamaan lämpöydinvoima mahdollisimman nopeasti", hän sanoi.
Termoydinfuusio, jossa kevyitä atomejaYhdessä kymmenien miljoonien asteiden lämpötiloissa vapauttamaan energiaa on tullut tapa, jolla maailma selviytyy sähköntuotannon ilmastonmuutoksen vaikutuksista.
Kuten perinteinen ydinfissiovoimala, joka halkaisee atomeja, fuusiolaitos ei polta fossiilisia polttoaineita eikä tuota kasvihuonekaasupäästöjä.
Projektikritiikki
Hankkeen tavoitteista huolimatta esteitäkoneen luominen, joka kykenee luomaan fuusioplasmaa ja manipuloimaan pyörivää erittäin kuumaa atomipilviä, joka vahingoittaa tai tuhoaa kaiken, johon se koskettaa, on valtava.
Jotkut tutkijat, jotka ovat työskennelleet ydinvoiman parissa vuosikymmenien ajan, sanovat, että vaikka he ovat innostuneita Sparcin näkymistä, aikajana voi olla yksinkertaisesti epärealistinen.
”Näiden asiakirjojen lukeminen (tutkimustyöt- noin toim.) antaa minulle tunteen, että kehittäjillä on hallittu lämpöydininen lämpöydinplasma, josta me kaikki haaveilemme ", kertoi Carey Forest, Wisconsinin yliopiston fyysikko, joka ei ole mukana projektissa. Hän ei kuitenkaan ole varma, onko projektin aikajana realistinen.
Tohtori Mumgaardin mukaan SPARC on paljonpienempi kuin ITER - tenniskentän koko jalkapallokenttään verrattuna - ja paljon halvempi kuin kansainvälinen projekti, joka virallisten arvioiden mukaan maksaa noin 22 miljardia dollaria, mutta tämä luku ei ole raja. Vuonna 2018 perustettu Commonwealth Fusion, jolla on noin 100 työntekijää, on tähän mennessä hankkinut 200 miljoonaa dollaria projektilleen.
Erot Sparcin ja ITERin välillä
Siitä lähtien kun ne alkoivat melkein sata vuotta sittenfuusiokokeet, mahdollisuus luoda käytännöllinen fuusiolaite, joka pystyy tuottamaan enemmän energiaa kuin se kuluttaa, on jäänyt vaikeaksi.
Mutta The Journal of Plasma Physicsin tutkijoiden havaintojen mukaan SPARC-projekti onnistuu ja tuottaa 10 kertaa enemmän energiaa kuin kuluttaa.
Tutkimus "vahvistaa, että projekti onse, jonka parissa työskentelemme, todennäköisesti toimii ”, kertoi Martin Greenwald, MIT: n plasmatutkimus- ja fuusiokeskuksen apulaisjohtaja ja yksi projektin johtavista tutkijoista. Tohtori Greenwald on Commonwealth Fusionin perustaja, mutta ei tällä hetkellä sidoksissa yritykseen.
SPARC käyttää samaa laitetyyppiä kuinITER: Tokamak tai donitsin muotoinen kammio, jossa tapahtuu fuusioreaktio. Koska plasmapilvi on niin kuuma - kuumempaa kuin Aurinko - sitä on pidätteltävä magneettisten voimien avulla.
ITER tekee tämän käyttämällä valtavia sähkömagneettisia keloja, jotka sisältävät suprajohtavia johtoja, jotka on jäähdytettävä nestemäisellä heliumilla.
ITER-fuusioreaktorin malli (poikkileikkaus)
CC BY-SA 2.0 alk
Greenwaldin mukaan SPARC käyttääuuden sähkömagneettisen tekniikan edut, joka käyttää ns. korkean lämpötilan suprajohteita, jotka voivat luoda paljon vahvemman magneettikentän. Tämän seurauksena plasma on paljon pienempi.
Asiakirjat osoittavat, että "tämä polku korkeallakenttä näyttää edelleen elinkelpoiselta ”, tohtori Greenwald sanoi. "Jos pystymme voittamaan tekniset haasteet, tämä kone toimii kuten ennustamme."
Commonwealth Fusion ilmoitti ilmoittavansa SPARC: n olinpaikasta muutaman kuukauden kuluttua.
Kuka muu työskentelee lämpöydinenergian parissa ja onko mitään toivoa?
Commonwealth Fusion on vain yksi monistafuusioenergian kehittämistä ja kaupallistamista työskentelevät yritykset yhteistyössä tutkimuslaitosten kanssa, joita tuetaan satojen miljoonien dollarien investoinneilla.
Esimerkiksi TAE Technologies, joka perustuuEtelä-Kaliforniassa työskentelee suunnittelu, joka käyttää lineaarista laitetta, joka ampuu kaksi plasmapilveä toisiaan kohti ydinfuusion tuottamiseksi.
First Light Fusion, Oxfordin yliopiston tytäryhtiö Englannissa, käyttää energiaa lämpöydinpolttoaineen pakkaamiseen ja pakkaamiseen.
Tohtori Forest sanoi:Käyttämällä vahvempia magneettikenttiä SPARCin voidaan sanoa olevan "konservatiivisempi". "Tämä erottaa sen täysin kaikista startupeista, jotka ovat määritelmän mukaan enemmän riskialtista", hän korostaa.
William Dorland, fyysikko Marylandin yliopistossa jaThe Journal of Plasma Physics -lehden toimittaja sanoi, että lehti oli pyytänyt joidenkin näiden fuusioprojektien edustajia "puhumaan fyysisestä taustastaan". MIT ja Commonwealth Fusion -ryhmä sopivat nopeasti, hän sanoi.
"Minun näkökulmastani tämä on ensimmäinen näistä ryhmistä,jolla on yksityisiä rahaa, mikä on itse asiassa hyvin selvää siitä, mitä he tekevät ”, tohtori Dorland sanoi. - Kohtuulliset ihmiset ovat eri mieltä siitä, toimiiko se. Mutta olen vain iloinen siitä, että he ovat tehostaneet toimintaansa ja kertoneet meille normaalin tieteen avulla, mitä tapahtuu ”, hän lopettaa.
Loppujen lopuksi mitä seurauksia odottaafuusioreaktorin kehittäminen? Jos teknisiä prosesseja selvitetään ja hallitaan, se pelastaa ihmiskunnan. Puhdas energia atomien fuusioinnista sen halkeamisen sijaan suojaa ainakin maapalloa ydinjätteiltä.
Mikä lopputulos on?
Huolimatta hankkeiden vaarallisuudesta ja monimutkaisuudestalämpöydinfuusion kehitystä, ihmiskunnalla ei näytä olevan vaihtoehtoja. Planeetan mahdollisuudet ovat rajalliset, toisin kuin ihmisten tarpeet. Aika näyttää, täyttääkö SPARC, ITER tai mikä tahansa startup lupauksensa.
Lue myös
Tutkija on luonut maalin, joka voi korvata kalliit aurinkopaneelit
CHEOPS-operaatio on löytänyt planeetan, jolla on kaikkein ankarimmat olosuhteet. Pääasia
Tähtitieteilijät ovat löytäneet kuun kiihdyttimen 60-luvulta. Hän on kohti maata