Amerikanske videnskabsmænd har annonceret, hvad de har kaldt et stort gennembrud i et længe uhåndgribeligt mål om at skabe energi fra atomfusion.
Det amerikanske energiministerium sagde den 13. december 2022, at det for første gang – og efter flere årtiers forsøg – er lykkedes for forskere at få mere energi ud af processen, end de skulle bruge.
Men hvor markant er udviklingen? Og hvor langt væk er den længe søgte drøm om fusion, der giver rigelig, ren energi? Carolyn Kuranz, en lektor i nuklear teknik ved University of Michigan, som har arbejdet på det anlæg, der lige har slået fusionsrekorden, hjælper med at forklare dette nye resultat.
Hvad skete der i fusionskammeret?
fusion er en kernereaktion, der kombinerer to atomer for at skabe et eller flere nye atomer med lidt mindre total masse. Forskellen i masse frigives som energi, som beskrevet af Einsteins berømte ligning, E = mc2 , hvor energi er lig med masse gange lysets hastighed i anden. Da lysets hastighed er enorm, producerer kun en lille mængde masse til energi - ligesom det der sker ved fusion - en tilsvarende enorm mængde energi.
Forskere ved den amerikanske regering National tændingsfacilitet i Californien har for første gang demonstreret det, der er kendt som "fusionsantændelse". Antændelse er, når en fusionsreaktion producerer mere energi, end der bliver lagt i reaktionen fra en ekstern kilde og bliver selvbærende.
Teknikken, der blev brugt på National Ignition Facility, involverede at skyde 192 lasere mod en 0.04 tommer (1 mm) pellet brændstof lavet af deuterium og tritium - to versioner af grundstoffet brint med ekstra neutroner - placeret i en guldbeholder. Når laserne rammer beholderen, producerer de røntgenstråler, der opvarmer og komprimerer brændstofpillen til omkring 20 gange densiteten af bly og til mere end 5 millioner grader Fahrenheit (3 millioner Celsius) - omkring 100 gange varmere end overfladen af sol. Hvis du kan opretholde disse forhold i lang nok tid, kan den brændstof vil smelte sammen og frigive energi.
Brændstoffet og beholderen fordampes inden for et par milliardtedele af et sekund under eksperimentet. Forskere håber derefter, at deres udstyr overlevede varmen og målte nøjagtigt den energi, der blev frigivet ved fusionsreaktionen.
Så hvad opnåede de?
For at vurdere succesen af et fusionseksperiment ser fysikere på forholdet mellem den energi, der frigives fra fusionsprocessen, og mængden af energi i laserne. Dette forhold er kaldet gevinst.
Alt over en gevinst på én betyder, at fusionsprocessen frigav mere energi end laserne leverede.
Den 5. december 2022 skød National Ignition Facility en pellet brændstof med to millioner joule laserenergi - omtrent den mængde strøm det tager at køre en hårtørrer i 15 minutter - alt sammen indeholdt inden for et par milliardtedele af et sekund. Dette udløste en fusionsreaktion, der frigivet tre millioner joule. Det er en gevinst på omkring 1.5, hvilket smadrer den tidligere rekord med en gevinst på 0.7 opnået af anlægget i august 2021.
Hvor stor en aftale er dette resultat?
Fusionsenergi har været energiproduktionens "hellige gral" for næsten et halvt århundrede. Selvom en gevinst på 1.5, tror jeg, er et virkeligt historisk videnskabeligt gennembrud, er der stadig lang vej igen, før fusion er en levedygtig energikilde.
Mens laserenergien på 2 millioner joule var mindre end fusionsudbyttet på 3 millioner joule, tog den anlægget næsten 300 millioner joule til at producere laserne brugt i dette eksperiment. Dette resultat har vist, at fusionstænding er mulig, men det vil kræve meget arbejde at forbedre effektiviteten til det punkt, hvor fusion kan give et netto positivt energiafkast, når man tager hele ende-til-ende-systemet i betragtning, ikke kun en enkelt interaktion mellem laserne og brændstoffet.
Hvad skal forbedres?
Der er en række brikker i fusionspuslespillet, som videnskabsmænd støt har forbedret i årtier for at producere dette resultat, og yderligere arbejde kan gøre denne proces mere effektiv.
For det første var lasere kun opfundet i 1960. Når den amerikanske regering afsluttede opførelsen af National Ignition Facility i 2009, det var den mest kraftfulde laserfacilitet i verden, der kunne levere en million joule energi til et mål. De to millioner joule, den producerer i dag, er 50 gange mere energisk end den næstmest kraftfulde laser på Jorden. Mere kraftfulde lasere og mindre energikrævende måder at producere disse kraftfulde lasere på kunne i høj grad forbedre systemets samlede effektivitet.
Fusionsbetingelser er meget udfordrende at opretholde, og hvilket som helst lille ufuldkommenhed i kapslen eller brændstoffet kan øge energibehovet og mindske effektiviteten. Forskere har gjort store fremskridt mere effektivt overføre energi fra laseren til beholderen og Røntgenstråling fra beholderen til brændstofkapslen, men i øjeblikket kun ca 10 til 30 procent af den samlede laserenergi overføres til beholderen og til brændstoffet.
Endelig, mens en del af brændstoffet, deuterium, er naturligt rigeligt i havvand, tritium er meget sjældnere. Fusion selv producerer faktisk tritium, så forskere håber at udvikle måder at høste dette tritium direkte på. I mellemtiden er der andre tilgængelige metoder til at producere det nødvendige brændstof.
Disse og andre videnskabelige, teknologiske og tekniske forhindringer skal overvindes, før fusion vil producere elektricitet til dit hjem. Der skal også arbejdes på at bringe omkostningerne ved et fusionskraftværk godt ned fra US$3.5 milliarder af National Ignition Facility. Disse skridt vil kræve betydelige investeringer fra både den føderale regering og den private industri.
Det er værd at bemærke, at der er et globalt kapløb omkring fusion med mange andre laboratorier rundt om i verden forfølge forskellige teknikker. Men med det nye resultat fra National Ignition Facility har verden for første gang set beviser for, at drøm om fusion er opnåelig.
Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.
Billede Credit: US Department of Energy/Lawrence Livermore National Laboratory
