Amerikkalaiset tutkijat ovat ilmoittaneet suureksi läpimurroksi pitkään saavuttamattomassa tavoitteessa tuottaa energiaa ydinfuusion avulla.
Yhdysvaltain energiaministeriö sanoi 13. joulukuuta 2022, että ensimmäistä kertaa – ja useiden vuosikymmenien yrittämisen jälkeen – tutkijat ovat onnistuneet saamaan enemmän energiaa irti prosessista kuin heidän oli pakko laittaa.
Mutta kuinka merkittävää kehitys on? Ja kuinka kaukana on kauan haettu unelma fuusion tuottamisesta runsasta, puhdasta energiaa? Carolyn Kuranz, Michiganin yliopiston ydintekniikan apulaisprofessori, joka on työskennellyt juuri fuusioennätyksen rikkoneessa laitoksessa, auttaa selittämään tämän uuden tuloksen.
Mitä fuusiokammiossa tapahtui?
Fuusio on ydinreaktio, joka yhdistää kaksi atomia luodakseen yhden tai useamman uuden atomin, joiden kokonaismassa on hieman pienempi. Massaero vapautuu energiana, kuten Einsteinin kuuluisa yhtälö, E = mc, kuvaa2 , jossa energia on yhtä kuin massa kertaa valon nopeus neliö. Koska valon nopeus on valtava, vain pienen määrän massaa muuntaminen energiaksi - kuten fuusiossa - tuottaa yhtä valtavan määrän energiaa.
Yhdysvaltain hallituksen tutkijat Kansallinen sytytyslaitos Kaliforniassa ovat osoittaneet ensimmäistä kertaa niin sanotun "fuusiosytytyksen". Syttymisestä on kyse, kun fuusioreaktio tuottaa enemmän energiaa kuin mitä saatetaan reaktioon ulkopuolisesta lähteestä, ja siitä tulee itseään ylläpitävä.
National Ignition Facilityssä käytetty tekniikka sisälsi 192 laserin ampumisen a 0.04 tuuman (1 mm) polttoainepelletti valmistettu deuteriumista ja tritiumista - vedyn kahdesta versiosta, joissa on ylimääräisiä neutroneja - sijoitettuna kultaiseen kanisteriin. Kun laserit osuvat kapseliin, ne tuottavat röntgensäteitä, jotka lämmittävät ja puristavat polttoainepelletin noin 20 kertaa lyijyn tiheyteen ja yli 5 miljoonaan Fahrenheit-asteeseen (3 miljoonaa Celsius-astetta) – noin 100 kertaa kuumempia kuin polttoainepelletin pinta. aurinko. Jos pystyt ylläpitämään näitä olosuhteita riittävän pitkään, polttoaine sulaa ja vapauttaa energiaa.
Polttoaine ja kapseli höyrystyvät muutamassa sekunnin miljardisosassa kokeen aikana. Tutkijat toivovat sitten, että heidän laitteistonsa selvisivät kuumuudesta ja mittasivat tarkasti fuusioreaktion vapauttaman energian.
Joten mitä he saivat aikaan?
Fuusiokokeen onnistumisen arvioimiseksi fyysikot tarkastelevat fuusioprosessista vapautuvan energian ja lasereiden sisällä olevan energian välistä suhdetta. Tämä suhde on nimeltä voitto.
Kaikki, mikä ylittää yhden, tarkoittaa, että fuusioprosessi vapauttaa enemmän energiaa kuin toimitetut laserit.
5. joulukuuta 2022 National Ignition Facility ampui polttoainepelletin kahdella miljoonalla joulella laserenergialla – noin 15 minuutin hiustenkuivaimen käyttämiseen tarvittavalla teholla – kaikki sekunnissa muutamassa miljardisosassa. Tämä laukaisi fuusioreaktion julkaisi kolme miljoonaa joulea. Tämä on noin 1.5 voitto, mikä rikkoi edellisen ennätyksen 0.7 laitoksen saavuttama elokuussa 2021.
Kuinka suuri sopimus tämä tulos on?
Fuusioenergia on ollut energiantuotannon "pyhä malja". lähes puoli vuosisataa. Vaikka 1.5:n voitto on mielestäni todella historiallinen tieteellinen läpimurto, on vielä pitkä matka kuljettavana ennen kuin fuusio on elinkelpoinen energialähde.
Vaikka 2 miljoonan joulen laserenergia oli pienempi kuin 3 miljoonan joulen fuusioteho, se vei laitokselta lähes 300 miljoonaa joulea laserien tuotantoon käytetään tässä kokeessa. Tämä tulos on osoittanut, että fuusiosytytys on mahdollista, mutta vaatii paljon työtä tehokkuuden parantamiseksi siihen pisteeseen, jossa fuusio voi tarjota positiivisen nettoenergian tuoton, kun otetaan huomioon koko päästä päähän -järjestelmä, ei vain yksi vuorovaikutus laserien ja polttoaineen välillä.
Mitä on parannettava?
Fuusiopalapelissä on useita palasia, joita tiedemiehet ovat jatkuvasti parantaneet vuosikymmeniä tuottaakseen tämän tuloksen, ja lisätyö voi tehdä tästä prosessista tehokkaamman.
Ensinnäkin laserit olivat vain keksi 1960. Kun Yhdysvaltain hallitus National Ignition Facility valmistui vuonna 2009, se oli maailman tehokkain laserlaitos, joka pystyi toimittamaan miljoona joulea energiaa kohteeseen. Sen tuottama kaksi miljoonaa joulea on 50 kertaa energisempi kuin se toiseksi tehokkain laser maan päällä. Tehokkaammat laserit ja vähemmän energiaa kuluttavat tavat tuottaa tehokkaita lasereita voisivat parantaa huomattavasti järjestelmän yleistä tehokkuutta.
Fuusioolosuhteet ovat erittäin haastavaa ylläpitää, ja mikä tahansa pieni epätäydellisyys kapselissa tai polttoaineessa voi lisätä energian tarvetta ja vähentää tehokkuutta. Tiedemiehet ovat edistyneet paljon siirtää energiaa tehokkaammin laserista kapseliin ja Röntgensäteily kapselista polttoainekapseliin, mutta tällä hetkellä vain noin 10 on 30 prosenttia laserin kokonaisenergiasta siirretään kapseliin ja polttoaineeseen.
Lopuksi, vaikka yksi osa polttoaineesta, deuterium, on luonnostaan runsaasti merivettä, tritium on paljon harvinaisempi. Fuusio itse asiassa tuottaa tritium, joten tutkijat toivovat voivansa kehittää tapoja tämän tritiumin korjaamiseksi suoraan. Sillä välin niitä on muut käytettävissä olevat menetelmät tarvittavan polttoaineen tuottamiseksi.
Nämä ja muut tieteelliset, teknologiset ja tekniset esteet on voitettava ennen kuin fuusio tuottaa sähköä kotiisi. On myös tehtävä työtä fuusiovoimalan kustannusten alentamiseksi huomattavasti 3.5 miljardia dollaria National Ignition Facilitysta. Nämä vaiheet edellyttävät merkittäviä investointeja sekä liittovaltion hallitukselta että yksityiseltä teollisuudelta.
On syytä huomata, että fuusion ympärillä käydään maailmanlaajuista kilpailua monien muiden laboratorioiden kanssa ympäri maailmaa eri tekniikoiden harjoittelua. Mutta National Ignition Facilityn uuden tuloksen myötä maailma on ensimmäistä kertaa nähnyt todisteita siitä, että unelma fuusiosta on saavutettavissa.
Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.
Kuva pistetilanne: Yhdysvaltain energiaministeriö / Lawrence Livermore National Laboratory
