Ameerika teadlased on teatanud suureks läbimurdeks ammu tabamatust eesmärgist luua tuumasünteesi abil energiat.
USA energeetikaministeerium teatas 13. detsembril 2022, et esimest korda – ja pärast mitukümmend aastat kestnud katset – on teadlastel õnnestunud protsessist välja võtta rohkem energiat, kui nad pidid sisse panema.
Aga kui oluline on areng? Ja kui kaugel on kauaoodatud unistus termotuumasünteesist, mis pakub külluslikku puhast energiat? Carolyn Kuranz, Michigani ülikooli tuumatehnoloogia dotsent, kes on töötanud äsja termotuumasünteesi rekordi purustanud rajatises, aitab seda uut tulemust selgitada.
Mis juhtus termotuumasünteesi kambris?
fusioon on tuumareaktsioon, mis ühendab kaks aatomit, et luua üks või mitu uut aatomit veidi väiksema kogumassiga. Masside erinevus vabaneb energiana, nagu kirjeldab Einsteini kuulus võrrand E = mc2 , kus energia võrdub massi ja valguse kiiruse ruuduga. Kuna valguse kiirus on tohutu, toodab väikese koguse massi energiaks muutmine – nagu termotuumasünteesi puhul – sama suure hulga energiat.
USA valitsuse teadlased Riiklik süüteseade Californias on esimest korda demonstreeritud nn termotuumasütte. Süttimine on siis, kui termotuumasünteesi reaktsioon toodab rohkem energiat, kui välisallikast reaktsioonisse suunatakse, ja muutub isemajandavaks.
National Ignition Facilitys kasutatud tehnika hõlmas 192 laseri tulistamist a 0.04 tolli (1 mm) kütusepellet valmistatud deuteeriumist ja triitiumist – vesiniku elemendi kahest versioonist koos lisaneutronitega – asetatud kuldkanistrisse. Kui laserid tabavad kanistrit, tekitavad nad röntgenikiirgust, mis soojendab ja surub kütusegraanuleid umbes 20-kordse plii tiheduseni ja enam kui 5 miljoni kraadini Fahrenheiti (3 miljonit Celsiuse järgi) – umbes 100 korda kuumemaks kui plaadi pind. päike. Kui suudate neid tingimusi piisavalt kaua säilitada, kütus sulandub ja vabastab energiat.
Kütus ja kanister aurustuvad katse ajal mõne miljardisekundi jooksul. Seejärel loodavad teadlased, et nende seadmed elasid kuumuse üle ja mõõtsid täpselt termotuumasünteesi reaktsioonist vabanenud energiat.
Mida nad siis saavutasid?
Termotuumasünteesi katse edukuse hindamiseks uurivad füüsikud termotuumasünteesi protsessist vabaneva energia ja laserite energiahulga vahelist suhet. See suhe on nimetatakse kasuks.
Kõik, mis on suurem kui üks, tähendab, et termotuumasünteesi käigus vabanes rohkem energiat kui laserite abil.
5. detsembril 2022 lasi National Ignition Facility kütusegraanuli kahe miljoni džauli laserenergiaga – umbes nii palju võimsust, mis kulub fööni 15 minutiks kasutamiseks – kõik see toimus mõne miljardik sekundi jooksul. See vallandas termotuumasünteesi reaktsiooni, mis vabastas kolm miljonit džauli. See on umbes 1.5 kasv, mis purustab eelmise rekordi 0.7 saavutas rajatise 2021. aasta augustis.
Kui suur tehing see tulemus on?
Fusioonienergia jaoks on olnud energiatootmise "püha graal". ligi pool sajandit. Kuigi 1.5-ne kasv on minu arvates tõeliselt ajalooline teaduslik läbimurre, on veel pikk tee minna, enne kui termotuumasünteesist saab elujõuline energiaallikas.
Kuigi laseri 2 miljoni džauli energia oli väiksem kui 3 miljoni džauli termotuumasünteesi saagis, kulus rajatisele peaaegu 300 miljonit džauli laserite tootmiseks selles katses kasutatud. See tulemus on näidanud, et termotuumasünteesi süttimine on võimalik, kuid see nõuab palju tööd, et parandada tõhusust punktini, kus termotuumasüntees võib anda positiivse netoenergiatagastuse, kui võtta arvesse kogu otsast lõpuni süsteemi, mitte ainult laserite ja kütuse üksainus interaktsioon.
Mida on vaja parandada?
Teadlased on selle tulemuse saavutamiseks aastakümneid pidevalt täiustanud mitmeid tuumasünteesi pusle tükke ja edasine töö võib seda protsessi tõhusamaks muuta.
Esiteks olid laserid ainult leiutatud 1960. Kui USA valitsus lõpetas riikliku süütejaama ehituse 2009. aastal, see oli maailma võimsaim laserrajatis, mis suutis tarnida miljon džauli energiat sihtmärgini. Kaks miljonit džauli, mida see täna toodab, on 50 korda energilisem kui järgmine võimsaim laser Maa peal. Võimsamad laserid ja vähem energiamahukad viisid nende võimsate laserite tootmiseks võivad oluliselt parandada süsteemi üldist tõhusust.
Fusioonitingimused on väga keeruline säilitadaja mis tahes väike defekt kapslis või kütuses võib suurendada energiavajadust ja vähendada tõhusust. Teadlased on teinud palju edusamme tõhusamalt energiat laserilt kanistrisse üle kanda ja Röntgenikiirgus kanistrist kütusekapslisse, kuid praegu ainult umbes 10 et 30 protsenti kogu laserenergiast kantakse kanistrisse ja kütusele.
Lõpuks, kuigi üks osa kütusest, deuteerium, on looduslikult olemas rohkesti merevees, triitium on palju haruldasem. Fusioon ise toodab tegelikult triitium, nii et teadlased loodavad välja töötada viise selle triitiumi otsekoristamiseks. Vahepeal on muud meetodid vajaliku kütuse tootmiseks.
Need ja muud teaduslikud, tehnoloogilised ja insenertehnilised tõkked tuleb ületada, enne kui termotuumasünteesi abil hakkab teie kodu elektrit tootma. Tööd tuleb teha ka termotuumasünteesielektrijaama kulude oluliselt madalamaks langetamiseks 3.5 miljardit USA dollarit National Ignition Facility. Need sammud nõuavad olulisi investeeringuid nii föderaalvalitsuselt kui ka erasektorilt.
Väärib märkimist, et termotuumasünteesi ümber käib ülemaailmne võidujooks koos paljude teiste laboritega üle maailma erinevate tehnikate järgimine. Kuid National Ignition Facility uue tulemusega on maailm esimest korda näinud tõendeid selle kohta, et unistus ühinemisest on saavutatav.
See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.
Image Credit: USA energeetikaministeerium / Lawrence Livermore'i riiklik labor
