Hva er atomfusjon?
Kjernefysisk fusjon (i dette tilfellet kjernefysisk fusjon) er en reaksjon
I følge moderne astrofysiskforestillinger, den viktigste energikilden til solen og andre stjerner er termonuklear fusjon som oppstår i deres dyp. Under terrestriske forhold utføres den med eksplosjonen av en hydrogenbombe. Termonukleær fusjon ledsages av en kolossal frigjøring av energi per masseenhet av reagerende stoffer (ca. 10 millioner ganger mer enn i kjemiske reaksjoner). Derfor er det av stor interesse å mestre denne prosessen og på grunnlag av den lage en billig og miljøvennlig energikilde. Til tross for at store vitenskapelige og tekniske team i mange utviklede land driver med forskning på kontrollert termonuklear fusjon (CTF), er det fortsatt mange komplekse problemer som skal løses før den industrielle produksjonen av termonuklear energi blir en realitet.
Moderne kjernekraftverk som bruker fisjonsprosessen, oppfyller bare delvis verdens elektrisitetsbehov.De er drevet av de naturlig forekommende radioaktive elementene uran og thorium, hvor overflod og reserver i naturen er svært begrenset; Derfor er det for mange land enHovedkomponenten i fusjonsbrensel er isotopen av hydrogen, deuterium, som finnes i sjøvann.Dens reserver er offentlig tilgjengelige og svært store (verdenshavet dekker ~ 71% av jordens overflateareal, og deuterium står for ca 0, 016% av det totale antall hydrogenatomer som utgjør vann).
I tillegg til tilgjengeligheten av drivstoff har termonukleære energikilder følgende viktige fordeler i forhold til atomkraftverk:
- CTS-reaktoren inneholder mye mindre radioaktive materialer enn en kjernefysisk fisjonreaktor, og derfor er konsekvensene av utilsiktet frigjøring av radioaktive produkter mindre farlige;
- termonukleære reaksjoner genererer mindre langvarig radioaktivt avfall;
- TCB tillater direkte produksjon av elektrisitet.
Den vellykkede implementeringen av fusjonsreaksjonen avhenger av egenskapene til atomkjernene som brukes og muligheten for å oppnå et tett høytemperaturplasma, som er nødvendig for å starte reaksjonen.
Hvordan frigjøres energi under fusjon?
Energiutslipp under kjernefysisk fusjon skyldesekstremt intense tiltrekningskrefter som virker inne i kjernen; disse kreftene holder sammen protonene og nøytronene som utgjør kjernen. De er veldig intense og forfaller ekstremt raskt med avstand. I tillegg til disse kreftene skaper positivt ladede protoner elektrostatiske frastøtende krefter. Handlingsradien til elektrostatiske krefter er mye større enn atomkreftene, så de begynner å seire når kjernene fjernes fra hverandre.
Under normale forhold, den kinetiske energien til kjernerlette atomer er for små til å overvinne den elektrostatiske frastøtingen, de kan nærme seg og inngå en atomreaksjon. Imidlertid kan frastøtingen overvinnes med "brute" kraft, for eksempel ved å kollidere kjerner med høy relativ hastighet.
Hvorfor gjør forskere kjernefusjon?
Forskere som utvikler termonukleæreen reaktor som kan generere mer kraft enn den bruker, har vist i en serie nylig arbeid at designene deres må fungere, og gjenoppretter optimismen om at denne rene, ubegrensede energikilden vil bidra til å dempe klimakrisen.
En gruppe forskere fra MassachusettsInstitute of Technology (MIT) og andre institutter erklærer at den kompakte fusjonsreaktoren SPARC vil fungere i virkeligheten. I det minste teoretisk, som de hevder i en serie nylig publiserte studier.
Teamet påpeker at i planleggingsfasen nringen uventede hindringer eller overraskelser ble funnet. Dette fremgår av syv artikler skrevet av 47 forskere fra 12 forskjellige vitenskapelige institusjoner.
Selv om den nye reaktoren fortsatt er i de tidlige utviklingsstadiene, håper forskerne at det innen utgangen av tiåret vil være i stand til å Martin Greenwald, en av prosjektets seniorforskere, fortalte The Guardian at en viktig motivasjon for den ambisiøse tidslinjen er å møte energibehov i et varmere miljø."Fusjon virker som en av de mulige løsningene for å komme seg ut av den truende klimakatastrofen, " sa han .
Hva er problemet med fusjon og hvordan kan det hjelpe planeten?
Atomfusjon, en fysisk prosess somå drive solen vår oppstår når atomer kolliderer sammen ved ekstremt høye temperaturer og trykk, noe som får dem til å frigjøre store mengder energi ved å smelte sammen med tyngre atomer.
Helt siden det først ble oppdaget i forrige århundre, har forskere forsøkt å utnytte kjernefysisk fusjon, en ekstremt tett form for energi hvis drivstoff - hydrogenisotoper - er rikelig og etterfylt.Videre produserer fusjon ikke klimagasser eller karbon , og i motsetning til kjernefysiske fisjonsreaktorer, bærer ikke fare for smelting.
Imidlertid viste bruken av denne formen for kjernekraft seg ekstremt vanskelig, da det krevde oppvarming av "suppe av subatomære partikler" - plasma, til hundrevis av millioner grader - for varmt til å tåle noen beholder.For å komme seg rundt dette utviklet forskerne et smultringformet kamera med et sterkt magnetfelt som passerer gjennom det, kalt en tokamak, som holderplasma på plass.
Hva er allerede under utvikling?
Massachusetts Institute of Technology Scientistsog datterselskapet Commonwealth Fusion Systems begynte å designe en ny reaktor, mer kompakt enn sine forgjengere, tidlig på 2018, med byggingen som startet i første halvdel av neste år. Hvis tidsplanen deres går etter planen, kan en reaktor kalt Sparc produsere strøm til nettet innen 2030, ifølge forskere og bedriftens tjenestemenn. Dette vil være mye raskere enn de eksisterende store fusjonsenergiinitiativene.
Eksisterende reaktordesign er for store og dyre til å faktisk generere elektrisitet til forbrukerne.Ved hjelp av toppmoderne, ultrasterke magneter håper MIT og Commonwealth Fusion-teamet å skape en kompakt, effektiv og skalerbar reaktorTokamak. Det vi virkelig har gjort er å kombinere eksisterende vitenskap med nytt materiale for å åpne opp store nye muligheter, sier Greenwald.
Etter å ha demonstrert at Sparc-enhetenkunne teoretisk produsere mer energi enn det som kreves for drift, i forskningsartikler som ble publisert i september, er neste trinn å bygge en reaktor og deretter et pilotanlegg som vil generere strøm på nettet.
Fordeler og ulemper med kjernefysisk fusjon
Forskere og gründere har lenge lovet dettermonuklear fusjon er rett rundt hjørnet, men møtte uoverstigelige problemer. Dette har forårsaket motvilje mot å investere i det, spesielt ettersom vind-, sol- og andre fornybare energikilder, selv om de er mindre kraftige enn fusjon, har blitt mer effektive og kostnadseffektive.
Men situasjonen er i endring.I Bidens plan for $ 2 billioner kalte han avansert atomteknologi for en del av en avkarboniseringsstrategi. Demokrater har støttet atomkraft for første gang siden 1972. Betydelige investeringer kommer også fra private kilder, inkludert noen store olje- og gasselskaper, som ser fusjon som et bedre langsiktig fotfeste enn vind og sol.
Ifølge Bob Mamgaard, administrerende direktør i Commonwealth Fusion, er målet ikke å bruke fusjon for å erstatte sol- og vindkraft, men å utfylle dem ."Det er ting som ville være vanskelig å gjøre bare med fornybar energi, i industriell skala, som å drive storbyer eller produksjon," sa han ."Det er der syntese kan komme til nytte."
Plasmasamfunnet som helhet er begeistret for Sparc fremgang, selv om noen stiller spørsmål ved den ambisiøse tidslinjen gitt tekniske og regulatoriske hindringer.
Daniel Jessby, 25 år med vitenskapelig forskningen medarbeider ved Princeton Laboratory of Plasma Physics, er skeptisk til om en fusjonsreaktor som SPARC noen gang kan bli en mulig alternativ energikilde. Tritium, en av isotopene av hydrogen som Sparc vil bruke som drivstoff, forekommer ikke i naturen og må produseres, sa han.
Massachusetts teknologiske teamInstituttet antar at dette stoffet vil regenereres kontinuerlig av selve syntesereaksjonen. Men Jessby tror at dette vil kreve enorm mengde strøm, noe som gjør reaktoren uoverkommelig dyr. "Når du tror vi får sol- og vindenergi gratis, ville det være dumt å stole på fusjonsreaksjoner," avslutter han.
Les mer
Forskning: mennesker vil ikke kunne kontrollere superintelligente AI-maskiner
Abort og vitenskap: hva vil skje med barna som skal føde
Sjekk ut de vakreste bildene av Hubble. Hva har teleskopet sett på 30 år?