Mikä on ydinfuusio?
Ydinfuusio (tässä tapauksessa ydinfuusio) on reaktio
Nykyaikaisen astrofyysisen mukaankäsitteet, Auringon ja muiden tähtien tärkein energialähde on niiden syvyydessä tapahtuva lämpöydinfuusio. Maan olosuhteissa se suoritetaan vetypommin räjähdyksellä. Lämpöydinfuusioon liittyy valtava energian vapautuminen reagoivien aineiden massayksikköä kohti (noin 10 miljoonaa kertaa enemmän kuin kemiallisissa reaktioissa). Siksi on erittäin mielenkiintoista hallita tämä prosessi ja luoda sen pohjalta halpa ja ympäristöystävällinen energialähde. Huolimatta siitä, että suuret tieteelliset ja tekniset ryhmät monissa kehittyneissä maissa harjoittavat hallitun lämpöydinfuusion (CTF) tutkimusta, on vielä ratkaistava monia monimutkaisia ongelmia, ennen kuin lämpöydinenergian teollisesta tuotannosta tulee todellisuutta.
Nykyaikaiset fissioprosessia käyttävät ydinvoimalat täyttävät vain osittain maailman sähköntarpeen.Niitä ruokkivat luonnossa esiintyvät radioaktiiviset alkuaineet uraani ja torium, joiden runsaus ja varannot luonnossa ovat hyvin rajalliset; Siksi monissa maissa onFuusiopolttoaineen pääkomponentti on vedyn isotooppi, deuterium, jota esiintyy merivedessä.Sen varannot ovat julkisesti saatavilla ja erittäin suuria (Maailman valtameri kattaa ~ 71% maapallon pinta-alasta, ja deuteriumin osuus on noin 0, 016% veden muodostavien vetyatomien kokonaismäärästä).
Polttoaineen saatavuuden lisäksi lämpöydinlähteillä on seuraavat tärkeät edut ydinvoimaloihin nähden:
- CTS-reaktori sisältää paljon vähemmän radioaktiivisia aineita kuin ydinfissioreaktori, ja siksi radioaktiivisten tuotteiden vahingossa tapahtuvan päästön seuraukset ovat vähemmän vaarallisia;
- lämpöydinreaktiot tuottavat vähemmän pitkäikäistä radioaktiivista jätettä;
- TCB mahdollistaa suoran sähköntuotannon.
Fuusioreaktion onnistunut toteutus riippuu käytettyjen atomiatumien ominaisuuksista ja mahdollisuudesta saada tiheä korkean lämpötilan plasma, joka on välttämätön reaktion aloittamiseksi.
Kuinka energia vapautuu fuusion aikana?
Energian vapautuminen ydinfuusion aikana johtuuytimen sisällä vaikuttavat erittäin voimakkaat vetovoimat; nämä voimat pitävät ytimen muodostavat protonit ja neutronit yhdessä. Ne ovat erittäin voimakkaita ja hajoavat erittäin nopeasti etäisyyden kanssa. Näiden voimien lisäksi positiivisesti varautuneet protonit luovat sähköstaattisia vastenmielisiä voimia. Sähköstaattisten voimien säde on paljon suurempi kuin ydinvoimien, joten ne alkavat vallita, kun ytimet poistetaan toisistaan.
Normaaleissa olosuhteissa ytimien kineettinen energiavaloatomit ovat liian pieniä sähköstaattisen hylkimisen voittamiseksi, ne voisivat lähestyä ydinreaktiota. Hylkääminen voidaan kuitenkin voittaa "raakalla" voimalla, esimerkiksi törmäämällä ytimiin, joilla on suuri suhteellinen nopeus.
Miksi tutkijat tekevät ydinfuusiota?
Tutkijat, jotka kehittävät ydinvoimaareaktori, joka voi tuottaa enemmän virtaa kuin kuluttaa, on osoittanut useissa viimeaikaisissa töissä, että niiden suunnittelun on toimittava, palauttaen optimismin, että tämä puhdas, rajaton energialähde auttaa lieventämään ilmastokriisiä.
Ryhmä tutkijoita MassachusettsistaInstitute of Technology (MIT) ja muut instituutit ilmoittavat, että kompakti fuusioreaktori SPARC toimii todellisuudessa. Ainakin teoriassa, kuten he väittävät äskettäin julkaistuissa tutkimuksissa.
Ryhmä huomauttaa, että suunnitteluvaiheissa nroodottamattomia esteitä tai yllätyksiä ei löytynyt. Tämä todetaan seitsemässä artikkelissa, jotka ovat kirjoittaneet 47 tutkijaa 12 eri tiedelaitokselta.
Vaikka uusi reaktori on vielä alkuvaiheessa, tutkijat toivovat, että vuosikymmenen loppuun mennessä se pystyy Martin Greenwald, yksi projektin vanhemmista tutkijoista, kertoi The Guardianille, että kunnianhimoisen aikataulun keskeinen motivaatio on vastata energiatarpeisiin lämpenevässä ympäristössä."Fuusio näyttää olevan yksi mahdollisista ratkaisuista päästä pois uhkaavasta ilmastokatastrofista", hän sanoi .
Mikä on fuusion ongelma ja miten se voi auttaa planeettaa?
Ydinfuusio, fyysinen prosessi, jokaaurinkomme virtaa tapahtuu, kun atomit törmäävät yhteen erittäin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, jolloin ne vapauttavat valtavia määriä energiaa sulautumalla raskaampiin atomiin.
Siitä lähtien , kun se löydettiin ensimmäisen kerran viime vuosisadalla, tiedemiehet ovat pyrkineet hyödyntämään ydinfuusiota, erittäin tiheää energiamuotoa, jonka polttoainetta - vedyn isotooppeja - on runsaasti ja täydennetty.Fuusio ei myöskään tuota kasvihuonekaasuja tai hiiltä , ja toisin kuin ydinfissioreaktorit, se ei kannasulamisriski.
Tämän ydinenergiamuodon käyttö osoittautui kuitenkin erittäin vaikeaksi, koska se vaati "subatomisten hiukkasten keiton" - plasman - lämmittämistä satoihin miljooniin asteisiin - liian kuumaksi kestämään mitään säiliötä.Tämän kiertämiseksi tutkijat kehittivät donitsin muotoisen kameran, jonka läpi kulkee voimakas magneettikenttä, nimeltään tokamak, joka pitääplasma paikallaan .
Mitä jo kehitetään?
Massachusettsin teknillisen instituutin tutkijatja tytäryhtiö Commonwealth Fusion Systems aloitti uuden, edeltäjiään pienemmän reaktorin suunnittelun vuoden 2018 alussa, ja rakentaminen aloitetaan ensi vuoden ensimmäisellä puoliskolla. Jos heidän aikataulunsa sujuu suunnitelmien mukaan, Sparc-niminen reaktori voisi tuottaa sähköä verkkoon vuoteen 2030 mennessä tutkijoiden ja yrityksen virkamiesten mukaan. Tämä tapahtuu paljon nopeammin kuin nykyiset suuret fuusioenergia-aloitteet.
Nykyiset reaktorimallit ovat liian suuria ja kalliita tuottamaan sähköä kuluttajille.Käyttämällä uusimpia, erittäin vahvoja magneetteja MIT: n ja Commonwealth Fusionin tiimi toivoo luovansa kompaktin, tehokkaan ja skaalautuvan reaktorinTokamak. Se, mitä olemme todella tehneet, on yhdistää olemassa oleva tiede uuteen materiaaliin avataksemme valtavia uusia mahdollisuuksia", Greenwald sanoi.
Osoitettuaan, että Sparc-laitevoisi teoriassa tuottaa enemmän energiaa kuin mitä tarvitaan toimintaan, syyskuussa julkaistuissa tutkimuksissa seuraava askel on rakentaa reaktori ja sitten koelaitos, joka tuottaa sähköä verkossa.
Ydinfuusion edut ja haitat
Tutkijat ja yrittäjät ovat jo pitkään luvanneet senlämpöydinfuusio on aivan nurkan takana, mutta sillä oli ylitsepääsemättömiä ongelmia. Tämä on aiheuttanut haluttomuutta investoida siihen, varsinkin kun tuuli-, aurinko- ja muut uusiutuvat energialähteet, vaikka ne ovatkin vähemmän tehokkaita kuin fuusio, ovat kuitenkin tulleet tehokkaammiksi ja kustannustehokkaammiksi.
Mutta tilanne muuttuu.Bidenin 2 biljoonan dollarin suunnitelmassa hän kutsui edistynyttä ydinteknologiaa osaksi hiilipäästöstrategiaa. Demokraatit ovat tukeneet ydinvoimaa ensimmäistä kertaa vuodesta 1972. Merkittäviä investointeja tulee myös yksityisistä lähteistä, mukaan lukien jotkut suuret öljy- ja kaasuyhtiöt, joiden mielestä fuusio on parempi pitkäaikainen tukikohta kuin tuuli ja aurinko.
Commonwealth Fusionin toimitusjohtajan Bob Mamgaardin mukaan tavoitteena ei ole käyttää fuusiota korvaamaan aurinko- ja tuulivoimaa, vaan täydentämään niitä ."On asioita, joita olisi vaikea tehdä vain uusiutuvien energialähteiden kanssa teollisessa mittakaavassa, kuten suurten kaupunkien tai valmistuksen tehostaminen", hän sanoi . "Siellä synteesi voi olla hyödyllinen."
Plasmayhteisö kokonaisuutena on innostunut Sparcin edistymisestä, vaikka jotkut ovat kyseenalaistaneet kunnianhimoisen aikataulun teknisten ja sääntelyyn liittyvien esteiden vuoksi.
Daniel Jessby, 25 vuotta tieteellistä tutkimustaosakas Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa, on skeptinen, voisiko SPARC: n kaltaisesta fuusioreaktorista koskaan tulla mahdollinen vaihtoehtoinen energialähde. Tritiumia, joka on yksi vedyn isotoopeista, jota Sparc käyttää polttoaineena, ei esiinny luonnossa ja sitä on tuotettava, hän sanoi.
Massachusettsin tekninen ryhmäInstituutti olettaa, että tämä aine uusiutuu jatkuvasti itse synteesireaktion avulla. Mutta Jessby uskoo, että tämä vaatii valtavan määrän sähköä, mikä tekee reaktorista kohtuuttoman kallista. "Kun luulet saavansa aurinko- ja tuulienergiaa ilmaiseksi, olisi typerää luottaa fuusioreaktioihin", hän lopettaa.
Lue lisää
Tutkimus: Ihmiset eivät kykene hallitsemaan superälyä tekoälykoneita
Abortti ja tiede: mitä tapahtuu synnyttäville lapsille
Katso kauneimmat kuvat Hubbleista. Mitä kaukoputki on nähnyt 30 vuoden aikana?