Amerikai tudósok bejelentették, hogy jelentős áttörést hoztak a nukleáris fúziós energia előállításának régóta megfoghatatlan céljában.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma 13. december 2022-án közölte, hogy a tudósoknak először – és több évtizedes próbálkozás után – sikerült több energiát kihozniuk a folyamatból, mint amennyit be kellett volna fektetniük.
De mennyire jelentős a fejlődés? És milyen messze van a régóta keresett álom a fúzióról, amely bőséges, tiszta energiát biztosít? Carolyn Kuranz, a Michigani Egyetem nukleáris mérnöki docense, aki a fúziós rekordot megdöntött létesítményben dolgozott, segít megmagyarázni ezt az új eredményt.
Mi történt a fúziós kamrában?
Magfúzió egy nukleáris reakció, amely két atom kombinálásával egy vagy több új, valamivel kisebb össztömegű atomot hoz létre. A tömegkülönbség energiaként szabadul fel, ahogy azt Einstein híres egyenlete írja le, E = mc2 , ahol az energia egyenlő tömeggel és a fénysebesség négyzetével. Mivel a fénysebesség óriási, csak egy kis tömeg energiává alakítása – mint ami a fúzióban történik – hasonlóan hatalmas mennyiségű energiát termel.
Az amerikai kormány kutatói Országos gyújtóüzem Kaliforniában először mutatták be az úgynevezett „fúziós gyújtást”. A gyulladás akkor következik be, amikor a fúziós reakció több energiát termel, mint amennyit külső forrásból a reakcióba visz, és önfenntartóvá válik.
A National Ignition Facility-nél alkalmazott technika 192 lézerrel a 0.04 hüvelyk (1 mm) üzemanyagpellet deutériumból és tríciumból – a hidrogén elem két változata extra neutronokkal – arany tartályba helyezve. Amikor a lézerek eltalálják a tartályt, röntgensugarakat bocsátanak ki, amelyek felmelegítik és összenyomják a tüzelőanyag-pelletet az ólom sűrűségének körülbelül 20-szorosára és több mint 5 millió Fahrenheit-fokra (3 millió Celsius fokra) – körülbelül 100-szor melegebbre, mint a tartály felszíne. nap. Ha ezeket a feltételeket elég hosszú ideig fenn tudja tartani, a az üzemanyag összeolvad és energiát szabadít fel.
Az üzemanyag és a tartály néhány milliárd másodpercen belül elpárolog a kísérlet során. A kutatók ezután azt remélik, hogy berendezéseik túlélték a hőséget, és pontosan megmérték a fúziós reakció által felszabaduló energiát.
Tehát mit értek el?
A fúziós kísérlet sikerének felmérése érdekében a fizikusok megvizsgálják a fúziós folyamatból felszabaduló energia és a lézerekben lévő energia mennyisége közötti arányt. Ez az arány nyereségnek nevezik.
Bármi, ami meghaladja az egy erősítést, azt jelenti, hogy a fúziós folyamat több energiát bocsát ki, mint amennyit a lézerek leadtak.
5. december 2022-én a National Ignition Facility kétmillió joule lézerenergiával lőtt ki egy tüzelőanyag-pelletet – körülbelül annyi energiát igényel, amennyi egy hajszárító 15 perces működtetéséhez szükséges – és mindezt néhány milliárd másodpercen belül tárolták. Ez fúziós reakciót váltott ki hárommillió joule-t bocsátott ki. Ez körülbelül 1.5-ös nyereség, ami megdönti a korábbi rekordot 0.7-et ért el a létesítmény 2021 augusztusában.
Mekkora üzlet ez az eredmény?
Fúziós energia számára az energiatermelés „szent grálja”. közel fél évszázada. Noha az 1.5-ös nyereség véleményem szerint valóban történelmi tudományos áttörés, még mindig hosszú utat kell megtenni ahhoz, hogy a fúzió életképes energiaforrássá váljon.
Míg a 2 millió joules lézerenergia kevesebb volt, mint a 3 millió joules fúziós hozam, a létesítménynek majdnem 300 millió joule a lézerek előállításához használt ebben a kísérletben. Ez az eredmény azt mutatta, hogy a fúziós gyújtás lehetséges, de sok munkába fog kerülni a hatásfok olyan mértékű javítása, hogy a fúzió nettó pozitív energiahozamot biztosítson, ha figyelembe vesszük a teljes végpontok közötti rendszert, nem csak egy egyetlen kölcsönhatás a lézerek és az üzemanyag között.
Miben kell javítani?
A fúziós kirakós játéknak számos olyan darabja van, amelyet a tudósok évtizedek óta folyamatosan fejlesztenek, hogy elérjék ezt az eredményt, és a további munka hatékonyabbá teheti ezt a folyamatot.
Először is csak a lézerek voltak 1960-ban találták ki. Amikor az amerikai kormány 2009-ben fejeződött be az Országos Gyújtótelep építése, ez volt a világ legerősebb lézeres létesítménye, amely képes volt szállítani egymillió joule energiát a célig. A mai kétmillió joule 50-szer energikusabb, mint a A következő legerősebb lézer a Földön. A nagyobb teljesítményű lézerek és az ilyen nagy teljesítményű lézerek előállításának kevésbé energiaigényes módjai nagyban javíthatják a rendszer általános hatékonyságát.
A fúziós feltételek a következők nagyon nehéz fenntartani, és bármilyen kis hiányosságok a kapszulában vagy az üzemanyagban növelheti az energiaszükségletet és csökkentheti a hatékonyságot. A tudósok sokat haladtak afelé hatékonyabban továbbítja az energiát a lézerről a tartályba és a Röntgensugárzás a tartályból az üzemanyag-kapszulába, de jelenleg csak kb 10 a 30 százalék a teljes lézerenergiából a tartályba és az üzemanyagba kerül.
Végül, míg az üzemanyag egy része, a deutérium, természetes bőséges a tengervízben, a trícium sokkal ritkább. A fúzió valójában maga termel trícium, ezért a kutatók azt remélik, hogy kifejlesztik a trícium közvetlen betakarításának módjait. Közben vannak a szükséges tüzelőanyag előállítására rendelkezésre álló egyéb módszerek.
Ezeket és más tudományos, technológiai és mérnöki akadályokat le kell küzdeni, mielőtt a fúziós áramot termelne otthonában. Dolgozni kell azon is, hogy a fúziós erőmű költségeit jóval csökkentsék 3.5 milliárd USD a National Ignition Facility-ből. Ezek a lépések jelentős beruházást igényelnek mind a szövetségi kormánytól, mind a magánszektortól.
Érdemes megjegyezni, hogy a fúzió körül globális verseny folyik, sok más laboratóriummal szerte a világon különböző technikákat követve. De a National Ignition Facility új eredményével a világ először látott bizonyítékot arra, hogy a fúziós álma megvalósítható.
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
Kép: Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma/Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium
