Vad är kärnfusion?
Kärnfusion (i det här fallet talar vi om termonukleär fusion) är reaktionen
Enligt modern astrofysiskföreställningar, Solens och andra stjärnornas huvudsakliga energikälla är termonukleär fusion som förekommer i deras djup. Under markbundna förhållanden utförs den med explosionen av en vätgasbomb. Termonukleär fusion åtföljs av en kolossal energiutsläpp per massenhet av reagerande ämnen (cirka 10 miljoner gånger mer än i kemiska reaktioner). Därför är det av stort intresse att bemästra denna process och på grundval av detta skapa en billig och miljövänlig energikälla. Trots det faktum att stora vetenskapliga och tekniska team i många utvecklade länder bedriver forskning om kontrollerad termonukleär fusion (CTF), finns det fortfarande många komplexa problem att lösa innan den industriella produktionen av termonukleär energi blir verklighet.
Moderna kärnkraftverk använder processendivisioner, endast delvis tillfredsställer världens elbehov. Bränslet för dem är de naturliga radioaktiva grundämnena uran och torium, vars överflöd och reserver i naturen är mycket begränsade; därför står många länder inför problemet med att importera dem. Huvudkomponenten i termonukleärt bränsle är väteisotopen deuterium, som finns i havsvatten. Dess reserver är allmänt tillgängliga och mycket stora (Världshavet täcker ~71% av jordens yta, och deuterium står för cirka 0,016% av det totala antalet väteatomer som utgör vatten).
Förutom tillgången på bränsle har termonukleära energikällor följande viktiga fördelar jämfört med kärnkraftverk:
- CTS-reaktorn innehåller mycket mindre radioaktiva material än en kärnklyvningsreaktor, och följaktligen är konsekvenserna av en oavsiktlig utsläpp av radioaktiva produkter mindre farliga.
- termonukleära reaktioner genererar mindre långlivat radioaktivt avfall;
- TCB tillåter direkt elproduktion.
Det framgångsrika genomförandet av fusionsreaktionen beror på egenskaperna hos de atomkärnor som används och möjligheten att få en tät plasma med hög temperatur, vilket är nödvändigt för att initiera reaktionen.
Hur frigörs energi under fusion?
Energiutsläpp under kärnfusion beror påextremt intensiva dragkrafter som verkar inuti kärnan; dessa krafter håller samman protonerna och neutronerna som utgör kärnan. De är mycket intensiva och förfaller extremt snabbt med avstånd. Förutom dessa krafter skapar positivt laddade protoner elektrostatiska avstötningskrafter. Handlingsradien för elektrostatiska krafter är mycket större än för kärnkrafter, så de börjar råda när kärnorna avlägsnas från varandra.
Under normala förhållanden, kärnornas kinetiska energiljusatomer är för små för att övervinna den elektrostatiska avstötningen, de kan närma sig och gå in i en kärnreaktion. Avstötningen kan emellertid övervinnas med "brutal" kraft, exempelvis genom kolliderande kärnor med hög relativ hastighet.
Varför gör forskare kärnfusion?
Forskare som utvecklar termonukleären reaktor som kan generera mer kraft än den förbrukar har visat i en serie nyligen gjorda arbeten att deras design måste fungera, vilket återställer optimismen att denna rena, obegränsade energikälla kommer att hjälpa till att lindra klimatkrisen.
En grupp forskare från MassachusettsInstitute of Technology (MIT) och andra institut förklarar att den kompakta fusionsreaktorn SPARC kommer att fungera i verkligheten. Åtminstone i teorin, som de hävdar i en serie nyligen publicerade studier.
Teamet påpekar att under planeringsstadiet nringa oväntade hinder eller överraskningar hittades. Detta anges i sju artiklar skrivna av 47 forskare från 12 olika vetenskapliga institutioner.
Även om den nya reaktorn fortfarande är under uppbyggnadI dess tidiga utvecklingsstadier hoppas forskarna att det skulle kunna börja producera el i slutet av årtiondet. Martin Greenwald, en av projektets seniora forskare, sa till The Guardian att en nyckelmotivation för den ambitiösa tidslinjen är att möta energibehovet i ett värmande klimat. "Fusion verkar vara en av de möjliga lösningarna för att komma ur den hotande klimatkatastrofen," sa han.
Vad är problemet med fusion och hur kan det hjälpa planeten?
Kärnfusion, en fysisk process somatt driva vår sol inträffar när atomer kolliderar ihop vid extremt höga temperaturer och tryck, vilket får dem att släppa enorma mängder energi genom att smälta samman med tyngre atomer.
Sedan det upptäcktes förstUnder det senaste århundradet har forskare försökt utnyttja kärnfusion, en extremt tät form av energi vars bränsle – väteisotoper – är rikligt och fylls på. Dessutom producerar kärnfusion inte växthusgaser eller kol och, till skillnad från kärnklyvningsreaktorer, medför den inte risken för en härdsmälta.
Men användningen av denna form av kärnenergivisade sig vara extremt svårt eftersom det krävde uppvärmning av "soppan av subatomära partiklar" - plasma - till hundratals miljoner grader - för varm för någon behållare att hantera. För att komma runt detta har forskare utvecklat en munkformad kammare med ett starkt magnetfält som löper genom den, kallad tokamak, som håller plasman på plats.
Vad utvecklas redan?
Massachusetts Institute of Technology Scientistsoch dotterbolaget Commonwealth Fusion Systems började designa en ny reaktor, mer kompakt än sina föregångare, i början av 2018, och byggandet började under första halvåret nästa år. Om deras schema går enligt plan kan en reaktor som heter Sparc producera elektricitet för elnätet år 2030, enligt forskare och företagsansvariga. Detta kommer att gå mycket snabbare än de befintliga större fusionsenergiinitiativen.
Nuvarande reaktorkonstruktioner är för storaoch vägar för att faktiskt generera el åt konsumenterna. Med hjälp av banbrytande, ultrastarka magneter hoppas teamet från MIT och Commonwealth Fusion skapa en kompakt, effektiv och skalbar tokamak-reaktor. "Vad vi verkligen har gjort är att kombinera befintlig vetenskap med nytt material för att öppna enorma nya möjligheter," sa Greenwald.
Efter att ha visat att Sparc-enhetenteoretiskt skulle kunna producera mer energi än vad som krävs för drift, i forskningsdokument som publicerades i september är nästa steg att bygga en reaktor och sedan en pilotanläggning som kommer att generera elektricitet i nätet.
Alla fördelar och nackdelar med kärnfusion
Forskare och entreprenörer har länge lovat dettermonukleär fusion är precis runt hörnet, men möter oöverstigliga problem. Detta har orsakat ovilja att investera i det, särskilt eftersom vindkraft, sol och andra förnybara energikällor, även om de är mindre kraftfulla än fusion, har blivit effektivare och kostnadseffektivare.
Men situationen förändras.I Bidens plan för 2 biljoner dollar kallade han avancerad kärnteknik för en del av en avkolningsstrategi. Demokrater har stöttat kärnkraft för första gången sedan 1972. Betydande investeringar kommer också från privata källor, inklusive några stora olje- och gasföretag, som ser fusion som ett bättre långsiktigt fotfäste än vind och sol.
Enligt Bob Mumgaard, verkställande direktörDirektör för Commonwealth Fusion, målet är inte att använda fusion för att ersätta sol- och vindenergi, utan att komplettera dem. "Det finns saker som kommer att vara svåra att göra med enbart förnybar energi, i industriell skala, som att driva stora städer eller tillverkning," sa han. "Det är där syntes kan komma till nytta."
Plasmasamhället som helhet är entusiastiskt över Sparcs framsteg, även om vissa har ifrågasatt den ambitiösa tidslinjen med tanke på tekniska och reglerande hinder.
Daniel Jessby, 25 års vetenskaplig forskningen medarbetare vid Princeton Plasma Physics Laboratory, är skeptisk om en fusionsreaktor som SPARC någonsin skulle kunna bli en möjlig alternativ energikälla. Tritium, en av isotoperna av väte som Sparc kommer att använda som bränsle, förekommer inte i naturen och måste produceras, sade han.
Massachusetts tekniska teamInstitutet antar att detta ämne kommer att regenereras kontinuerligt av själva syntesreaktionen. Men Jessby tror att detta kommer att kräva en enorm mängd el, vilket gör reaktorn oöverkomligt dyr. "När du tänker att vi får sol- och vindkraft gratis, skulle det vara dumt att lita på en fusionsreaktion", avslutar han.
Läs mer
Forskning: människor kommer inte att kunna kontrollera superintelligenta AI-maskiner
Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda
Kolla in de vackraste bilderna på Hubble. Vad har teleskopet sett på 30 år?