Varför behövs termokärnkraft?
För att förhindra att den globala temperaturen stiger med mer än 1,5
Tänk om det fanns en energilösning som kunde lösa alla dessa pressande problem? Även om detta låter fantastiskt finns det.
En av de mest kraftfulla energiformerna vivi använder idag är kärnenergi. Även om modern kärnkraft är extremt effektiv och genererar inga koldioxidutsläpp, har den många nackdelar, och de är allvarliga: potentiella kärnkraftssmältor och radioaktivt avfall som förblir farliga i tusentals år.
Men det finns ett bättre sätt.
Vad är termonukleär fusion och hur kan den appliceras på jorden?
Alla nuvarande kärnreaktorer arbetar medanvänder kärnklyvning, processen med att dela atomer för att producera energi. Under åratal har forskare undrat hur vi kan använda den omvända processen - kärnfusion, som "driver" solen genom att fästa atomer tillsammans - för att möta de växande energibehoven på jorden. Själva termonukleär fusion är en superkraftig process, flera gånger mer kraftfull än klyvning, och leder inte till bildandet av kärnavfall, eftersom dess bränsle inte är uran eller plutonium utan väte. I själva verket, om utvecklingen av en termonukleär reaktor är framgångsrik, kommer forskare att skapa en "minisol" på jorden.
"Uppnåelse av kontrollerade termonukleära reaktioner,som förbrukar mer energi än vad som krävs för att generera dem och ses kommersiellt som ett potentiellt svar på klimatförändringarna, förklarar vetenskapskorrespondent Nathaniel Gronevold för Scientific American. “Fusionsenergi kommer att eliminera behovet av fossila bränslen och lösa diskontinuitets- och tillförlitlighetsfrågorna i förnybara energikällor. Kraften kommer att genereras utan den farliga mängden strålning som väcker oro för kärnklyvningsenergi. ”
Tjänstemän från International ThermonuclearExperimental Reactor (ITER), ett multinationellt projekt baserat i södra Frankrike, meddelade att de nu är bara 6,5 år från First Plasma, en historisk milstolpe. ITER-projektet, med stöd av ett konsortium i 35 länder, är nu 65% klart, enligt ett pressmeddelande den här veckan. Den nyligen installerade sektionen - basen på kryostaten och bottencylindern - banar väg för installationen av tokamak, den tekniska struktur som valts för att hysa det kraftfulla magnetfältet som skulle omge fusionskärnan i den super heta plasman.
Kärnfusionsproblem
Kärnfusion är så svår att åstadkomma på grund avextrema förhållanden - till exempel i solens kärna - som måste reproduceras här på jorden. Som förklarats i USA: s energiministerium "studeras termonukleära reaktioner av forskare, men de är svåra att upprätthålla under långa tidsperioder på grund av det enorma tryck och temperatur som krävs för att smälta kärnor."
Fusionsenergi kräver inneslutningmycket varm plasma under högt tryck. Magnetisk inneslutning av mycket varmt - många gånger varmare än solens centrum - plasma kräver starka magnetfält. De måste vara 10 gånger det atmosfäriska trycket på jordens yta. Magnetfältets styrka är en kritisk parameter för att uppnå dessa förhållanden eftersom det ger både isolering för att hålla plasmat varmt och externt tryck för att hålla det stabilt – allt utan fysisk kontakt mellan plasman och materialets yta.
Även om kärnfusion gerOtroliga utsikter för att lösa några av de svåraste problemen i den moderna världen, tiden tickar, och många experter säger att även om fusion är precis runt hörnet, är tiden inte på vår sida. Även om man hoppas att ITER ska lanseras 2025 och vara fullt operativt runt 2035, kan detta vara för sent. Redan 2019 hävdade klimatexperter att den 12-åriga deadline som den mellanstatliga panelen gav världen för att vända planetens föränderliga situation kanske måste skäras ned till 18 månader. Hans Joachim Schellnhuber från Potsdam Climate Institute förklarade det så här för ett år sedan: "Klimatmatematiken är kristallklar: även om världen kanske inte kommer att läkas under de närmaste åren, kan den bli dödligt sårad av oaktsamhet före 2020."
Men denna vecka har förhoppningarna om ren energi återupplivats.
SPARC-projekt
Forskare utvecklar en kompakt versionEn kärnfusionsreaktor har i en serie forskningsdokument visat sig fungera, vilket återupplivar förhoppningar om att det länge svårfångade målet att imitera solens energiproduktion kan uppnås och i slutändan bidra till kampen mot klimatförändringarna.
Center for Plasma Research and ThermonuklearMIT utvecklar i samarbete med den privatägda startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) SPARC-konceptprojektet. Detta är ett kompakt högspänningsexperiment med ren termonukleär energi. SPARC förväntas vara storleken på befintliga mellanklassfusionsenheter, men med ett mycket starkare magnetfält. Baserat på fysikens lagar hoppas forskare att enheten kommer att producera 50-100 MW termokärnkraft. Ett sådant experiment kommer att vara den första demonstrationen av skapandet av ren energi och möjligheten att skapa en enhet byggd med ny supraledande teknik. SPARC är en del av en övergripande strategi för att påskynda fusionsutveckling genom användning av nya högfält, högtemperatur superledande (HTSC) magneter.
Sparc-fusionskraftverket kommer att vara relativt litet, vilket visas i denna bild av reaktionskammaren.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Byggtid
Det förväntas att konstruktionen av reaktorn underNamnet SPARC, som utvecklas av forskare vid MIT och ett dotterbolag till Commonwealth Fusion Systems, kommer att börja nästa vår och kommer att ta tre eller fyra år, säger forskare och företagstjänstemän.
Även om det fortfarande finns många allvarliga problem,företaget sa att konstruktionen skulle följas av prövningar och, om det lyckades, byggandet av ett kraftverk som skulle kunna använda fusionsenergi för att generera elektricitet från och med nästa decennium.
Detta ambitiösa schema är mycket snabbare änvärldens största fusionsenergiprojekt, ett multinationellt projekt i södra Frankrike kallat ITER. Denna reaktor har varit under uppbyggnad sedan 2013, och även om den inte är konstruerad för att generera elektricitet, förväntas den producera fusionsreaktioner till 2035.
Bob Mumgaard, VD för CommonwealthFusion, och en av grundarna av företaget, sa att målet med SPARC-projektet är att utveckla termonukleär fusion i tid för att spela en roll för att mildra effekterna av global uppvärmning. "Vi är fokuserade på att få termonukleär kraft så snabbt som möjligt", sa han.
Termonukleär fusion, där lätta atomeratt samlas vid temperaturer på tiotals miljoner grader för att frigöra energi har blivit ett sätt för världen att hantera klimatförändringarnas effekter av elproduktion.
Liksom ett konventionellt kärnklyvningskraftverk, som delar atomer, kommer ett fusionsverk inte att bränna fossila bränslen och inte producera utsläpp av växthusgaser.
Kritik av projektet
Trots projektets ambitioner, hinder i vägenskapandet av en maskin som kan skapa termonukleär plasma och manipulera ett virvlande super hett moln av atomer som skadar eller förstör allt det rör vid är enormt.
Vissa forskare som har arbetat med termonukleär energi i årtionden säger att även om de är entusiastiska över framtiden för Sparc kan tidslinjen helt enkelt vara orealistisk.
”Att läsa dessa dokument (forskningspapper- ungefär. ed.) ger mig en känsla av att utvecklarna kommer att ha den kontrollerade termonukleära termonukleära plasma som vi alla drömmer om, säger Carey Forest, en fysiker vid University of Wisconsin som inte är inblandad i projektet. Han är dock inte säker på om projektets tidslinje är realistisk.
Enligt Dr Mumgaard kommer SPARC att vara mycketmindre än en ITER - storleken på en tennisbana, jämfört med en fotbollsplan - och mycket billigare än ett internationellt projekt, som enligt officiella uppskattningar kommer att kosta cirka 22 miljarder dollar, men denna siffra är inte gränsen. Commonwealth Fusion, grundat 2018 och har cirka 100 anställda, har hittills samlat in 200 miljoner dollar för sitt projekt.
Skillnader mellan Sparc och ITER
Sedan de började för nästan ett sekel sedanfusionsexperiment, möjligheten att skapa en praktisk fusionsenhet som kan producera mer energi än den använder har förblivit svårfångad.
Men enligt resultaten från forskare i The Journal of Plasma Physics kommer SPARC-projektet att lyckas och kommer att producera 10 gånger mer energi än det förbrukar.
Studien ”bekräftar att projektet är överden vi arbetar med kommer sannolikt att fungera, säger Martin Greenwald, biträdande chef för MIT Center for Plasma Research and Fusion och en av projektets ledande forskare. Dr. Greenwald är grundaren av Commonwealth Fusion men är för närvarande inte ansluten till företaget.
SPARC använder samma enhetstyp somITER: En tokamak eller munkformad kammare, inom vilken en fusionsreaktion äger rum. Eftersom plasmamolnet är så varmt - hetare än solen - måste det hållas tillbaka av magnetiska krafter.
ITER gör detta med enorma elektromagnetiska spolar som innehåller supraledande ledningar som måste kylas med flytande helium.
Modell av ITER-fusionsreaktorn (tvärsnitt)
CC BY-SA 2.0 fr
Enligt Greenwald använder SPARCfördelarna med en ny elektromagnetisk teknik som använder så kallade högtemperatur superledare, vilket kan skapa ett mycket starkare magnetfält. Som ett resultat är plasman mycket mindre.
Dokumenten visar att ”denna väg med högfältet ser fortfarande livskraftigt ut, säger Dr. Greenwald. "Om vi kan övervinna de tekniska utmaningarna kommer den här maskinen att fungera som vi förutser."
Commonwealth Fusion sa att det kommer att meddela SPARC var de befinner sig om några månader.
Vem annan arbetar med termonukleär energi och finns det något hopp?
Commonwealth Fusion är bara en av mångaföretag som arbetar med utveckling och kommersialisering av fusionsenergi i samarbete med forskningsinstitutioner, med stöd av hundratals miljoner dollar i investeringar.
Till exempel, TAE Technologies, baserati södra Kalifornien arbetar på en design som använder en linjär enhet som skjuter två moln av plasma mot varandra för att producera kärnfusion.
First Light Fusion, ett dotterbolag till University of Oxford i England, använder energi för att komprimera och komprimera termokärnbränsle.
Dr Forest sa:Genom att använda starkare magnetfält kan SPARC sägas vara mer "konservativ". "Detta skiljer det helt från alla startups, som per definition är mer riskabelt”, betonar han.
William Dorland, fysiker vid University of Maryland ochredaktören för The Journal of Plasma Physics sa att tidskriften hade bett företrädare för några av dessa fusionsprojekt att "prata om deras fysiska underlag." MIT och Commonwealth Fusion-gruppen gick snabbt överens, sa han.
”Från min synvinkel är detta den första av dessa grupper,som har privata pengar, vilket faktiskt är mycket tydligt om vad de gör, säger Dr. Dorland. - Rimliga människor håller inte med om det fungerar. Men jag är bara glad att de har ökat och berättar för oss, med normal vetenskap, vad som händer, avslutar han.
I slutändan, vilka konsekvenser man kan förvänta sig avfusionsreaktorutveckling? Om tekniska processer debugges och kontrolleras kommer det att rädda mänskligheten. Ren energi från att smälta atomer istället för klyvning av dem kommer åtminstone att skydda planeten från kärnavfall.
Vad är slutresultatet?
Trots alla faror och komplexitet projekt påutveckling av termonukleär fusion, verkar det inte som att mänskligheten har några alternativ. Planetens möjligheter är begränsade, till skillnad från mänskliga behov. Huruvida SPARC, ITER eller någon startup kommer att uppfylla sina löften får tiden utvisa.
Läs också
Forskare har skapat en färg som kan ersätta dyra solpaneler
CHEOPS-uppdraget har hittat en planet med de tuffaste förhållandena i universum. huvudsaken
Astronomer har upptäckt en månaccelerator från 60-talet. Han är på väg mot jorden