Ilmuwan Amerika telah mengumumkan apa yang mereka sebut sebagai terobosan besar dalam tujuan lama untuk menciptakan energi dari fusi nuklir.
Departemen Energi AS mengatakan pada 13 Desember 2022, bahwa untuk pertama kalinya—dan setelah beberapa dekade mencoba—para ilmuwan berhasil mendapatkan lebih banyak energi dari proses tersebut daripada yang harus mereka keluarkan.
Tapi seberapa signifikan perkembangannya? Dan seberapa jauh impian fusi yang telah lama dicari menyediakan energi bersih yang berlimpah? Carolyn Kuranz, seorang profesor teknik nuklir di University of Michigan yang telah bekerja di fasilitas yang baru saja memecahkan rekor fusi, membantu menjelaskan hasil baru ini.
Apa yang Terjadi di Ruang Fusi?
fusi adalah reaksi nuklir yang menggabungkan dua atom untuk membuat satu atau lebih atom baru dengan massa total yang sedikit lebih kecil. Perbedaan massa dilepaskan sebagai energi, seperti yang dijelaskan oleh persamaan Einstein yang terkenal, E = mc2 , di mana energi sama dengan massa dikalikan kecepatan cahaya kuadrat. Karena kecepatan cahaya sangat besar, mengubah sejumlah kecil massa menjadi energi—seperti yang terjadi dalam fusi—menghasilkan energi yang sangat besar.
Peneliti di pemerintah AS Fasilitas Pengapian Nasional di California telah mendemonstrasikan, untuk pertama kalinya, apa yang dikenal sebagai “pengapian fusi.” Pengapian adalah ketika reaksi fusi menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dimasukkan ke dalam reaksi dari sumber luar dan menjadi mandiri.
Teknik yang digunakan di National Ignition Facility melibatkan penembakan 192 laser pada a Pelet bahan bakar 0.04 inci (1 mm). terbuat dari deuterium dan tritium—dua versi unsur hidrogen dengan ekstra neutron—ditempatkan dalam tabung emas. Ketika laser mengenai tabung, mereka menghasilkan sinar-X yang memanaskan dan memampatkan pelet bahan bakar menjadi sekitar 20 kali kepadatan timbal dan lebih dari 5 juta derajat Fahrenheit (3 juta Celcius) —sekitar 100 kali lebih panas dari permukaan tabung. matahari. Jika Anda dapat mempertahankan kondisi ini untuk waktu yang cukup lama, maka bahan bakar akan melebur dan melepaskan energi.
Bahan bakar dan tabung menguap dalam sepersekian detik selama percobaan. Peneliti kemudian berharap peralatan mereka selamat dari panas dan secara akurat mengukur energi yang dilepaskan oleh reaksi fusi.
Jadi Apa yang Mereka Capai?
Untuk menilai keberhasilan eksperimen fusi, fisikawan melihat rasio antara energi yang dilepaskan dari proses fusi dan jumlah energi di dalam laser. Rasio ini disebut keuntungan.
Apa pun di atas perolehan satu berarti bahwa proses fusi melepaskan lebih banyak energi daripada laser yang diberikan.
Pada 5 Desember 2022, National Ignition Facility menembakkan pelet bahan bakar dengan dua juta joule energi laser—kira-kira jumlah daya yang dibutuhkan untuk menjalankan pengering rambut selama 15 menit—semuanya terkandung dalam sepersejuta detik. Ini memicu reaksi fusi yang melepaskan tiga juta joule. Itu adalah keuntungan sekitar 1.5, memecahkan rekor keuntungan sebelumnya 0.7 dicapai oleh fasilitas pada Agustus 2021.
Seberapa Besar Hasil Ini?
Energi fusi telah menjadi "cawan suci" produksi energi untuk hampir setengah abad. Sementara keuntungan sebesar 1.5, saya yakin, merupakan terobosan ilmiah yang benar-benar bersejarah, jalan masih panjang sebelum fusi menjadi sumber energi yang layak.
Sementara energi laser 2 juta joule kurang dari hasil fusi 3 juta joule, fasilitas ini membutuhkan hampir 300 juta joule untuk menghasilkan laser digunakan dalam percobaan ini. Hasil ini menunjukkan bahwa pengapian fusi dimungkinkan, tetapi akan membutuhkan banyak usaha untuk meningkatkan efisiensi ke titik di mana fusi dapat memberikan pengembalian energi positif bersih ketika mempertimbangkan seluruh sistem end-to-end, bukan hanya a interaksi tunggal antara laser dan bahan bakar.
Apa yang Perlu Ditingkatkan?
Ada sejumlah potongan teka-teki fusi yang terus diperbaiki para ilmuwan selama beberapa dekade untuk menghasilkan hasil ini, dan pekerjaan lebih lanjut dapat membuat proses ini lebih efisien.
Pertama, hanya laser ditemukan di 1960. Ketika pemerintah AS menyelesaikan pembangunan National Ignition Facility pada tahun 2009, itu adalah fasilitas laser paling kuat di dunia, mampu memberikan satu juta joule energi ke target. Dua juta joule yang dihasilkannya saat ini 50 kali lebih energik daripada laser paling kuat berikutnya di Bumi. Laser yang lebih kuat dan cara yang lebih hemat energi untuk menghasilkan laser yang kuat tersebut dapat sangat meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Kondisi fusi adalah sangat menantang untuk dipertahankan, dan apa saja ketidaksempurnaan kecil dalam kapsul atau bahan bakar dapat meningkatkan kebutuhan energi dan menurunkan efisiensi. Para ilmuwan telah membuat banyak kemajuan lebih efisien mentransfer energi dari laser ke tabung dan Radiasi sinar-X dari tabung ke kapsul bahan bakar, tetapi saat ini hanya sekitar 10 ke persen 30 dari total energi laser ditransfer ke tabung dan bahan bakar.
Akhirnya, sementara satu bagian dari bahan bakar, deuterium, secara alami melimpah di air laut, tritium jauh lebih jarang. Fusion sendiri sebenarnya menghasilkan tritium, sehingga peneliti berharap dapat mengembangkan cara pemanenan tritium ini secara langsung. Sementara itu, ada metode lain yang tersedia untuk menghasilkan bahan bakar yang dibutuhkan.
Ini dan rintangan ilmiah, teknologi, dan teknik lainnya perlu diatasi sebelum fusi menghasilkan listrik untuk rumah Anda. Pekerjaan juga perlu dilakukan untuk menurunkan biaya pembangkit listrik fusi dari US$3.5 miliar dari Fasilitas Pengapian Nasional. Langkah-langkah ini akan membutuhkan investasi yang signifikan baik dari pemerintah federal maupun industri swasta.
Perlu dicatat bahwa ada perlombaan global seputar fusi, dengan banyak laboratorium lain di seluruh dunia mengejar teknik yang berbeda. Tetapi dengan hasil baru dari National Ignition Facility, dunia untuk pertama kalinya melihat bukti bahwa mimpi fusi dapat dicapai.
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
Gambar Kredit: Laboratorium Nasional Departemen Energi AS/Lawrence Livermore
