Amerikanske forskere har annonsert det de har kalt et stort gjennombrudd i et lenge unnvikende mål om å skape energi fra atomfusjon.
Det amerikanske energidepartementet sa 13. desember 2022 at for første gang – og etter flere tiår med forsøk – har forskere klart å få mer energi ut av prosessen enn de måtte legge inn.
Men hvor viktig er egentlig utviklingen? Og hvor langt unna er den lenge etterlengtede drømmen om fusjon som gir rikelig, ren energi? Carolyn Kuranz, en førsteamanuensis i atomteknikk ved University of Michigan som har jobbet ved anlegget som nettopp slo fusjonsrekorden, hjelper til med å forklare dette nye resultatet.
Hva skjedde i Fusion Chamber?
Fusion er en kjernefysisk reaksjon som kombinerer to atomer for å skape ett eller flere nye atomer med litt mindre totalmasse. Forskjellen i masse frigjøres som energi, som beskrevet av Einsteins berømte ligning, E = mc2 , hvor energi er lik masse ganger lyshastigheten i annen. Siden lysets hastighet er enorm, produserer det å konvertere bare en liten mengde masse til energi – som det som skjer i fusjon – en tilsvarende enorm mengde energi.
Forskere ved den amerikanske regjeringen Nasjonalt tenningsanlegg i California har for første gang demonstrert det som er kjent som «fusjonstenning». Tenning er når en fusjonsreaksjon produserer mer energi enn det som blir satt inn i reaksjonen fra en ekstern kilde og blir selvopprettholdende.
Teknikken som ble brukt ved National Ignition Facility innebar å skyte 192 lasere mot en 0.04 tommer (1 mm) pellet med drivstoff laget av deuterium og tritium – to versjoner av grunnstoffet hydrogen med ekstra nøytroner – plassert i en gullbeholder. Når laserne treffer beholderen, produserer de røntgenstråler som varmer opp og komprimerer drivstoffpelleten til omtrent 20 ganger tettheten til bly og til mer enn 5 millioner grader Fahrenheit (3 millioner Celsius) – omtrent 100 ganger varmere enn overflaten til sol. Hvis du kan opprettholde disse forholdene lenge nok, kan du drivstoff vil smelte sammen og frigjøre energi.
Drivstoffet og beholderen fordampes i løpet av noen få milliarddeler av et sekund under eksperimentet. Forskere håper da utstyret deres overlevde varmen og målte nøyaktig energien som ble frigjort av fusjonsreaksjonen.
Så hva oppnådde de?
For å vurdere suksessen til et fusjonseksperiment, ser fysikere på forholdet mellom energien som frigjøres fra fusjonsprosessen og mengden energi i laserne. Dette forholdet er kalt gevinst.
Alt over en gevinst på én betyr at fusjonsprosessen frigjorde mer energi enn laserne leverte.
Den 5. desember 2022 skjøt National Ignition Facility en pellet av drivstoff med to millioner joule laserenergi – omtrent hvor mye kraft det tar å kjøre en hårføner i 15 minutter – alt inneholdt i løpet av noen få milliarddeler av et sekund. Dette utløste en fusjonsreaksjon som utgitt tre millioner joule. Det er en gevinst på rundt 1.5, og knuser den forrige rekorden med en gevinst på 0.7 oppnådd av anlegget i august 2021.
Hvor stor avtale er dette resultatet?
Fusjonsenergi har vært den «hellige gral» for energiproduksjon for nesten et halvt århundre. Selv om en gevinst på 1.5 er, tror jeg, et virkelig historisk vitenskapelig gjennombrudd, er det fortsatt en lang vei å gå før fusjon er en levedyktig energikilde.
Mens laserenergien på 2 millioner joule var mindre enn fusjonsutbyttet på 3 millioner joule, tok den anlegget nesten 300 millioner joule for å produsere laserne brukt i dette eksperimentet. Dette resultatet har vist at fusjonstenning er mulig, men det vil kreve mye arbeid for å forbedre effektiviteten til det punktet hvor fusjon kan gi en netto positiv energiavkastning når man tar i betraktning hele ende-til-ende-systemet, ikke bare en enkelt interaksjon mellom laserne og drivstoffet.
Hva må forbedres?
Det er en rekke biter av fusjonspuslespillet som forskere har forbedret jevnt og trutt i flere tiår for å produsere dette resultatet, og videre arbeid kan gjøre denne prosessen mer effektiv.
For det første var det bare lasere oppfunnet i 1960. Når den amerikanske regjeringen fullførte byggingen av National Ignition Facility i 2009, det var det kraftigste laseranlegget i verden, i stand til å levere en million joule energi til et mål. De to millioner joule den produserer i dag er 50 ganger mer energisk enn nest kraftigste laser på jorden. Kraftigere lasere og mindre energikrevende måter å produsere disse kraftige laserne på kan forbedre den generelle effektiviteten til systemet betraktelig.
Fusjonsforholdene er veldig utfordrende å opprettholde, og hvilken som helst liten ufullkommenhet i kapselen eller drivstoffet kan øke energibehovet og redusere effektiviteten. Forskere har gjort store fremskritt overføre energi fra laseren til beholderen mer effektivt og Røntgenstråling fra beholderen til drivstoffkapselen, men foreløpig bare ca 10 til 30 prosent av den totale laserenergien overføres til beholderen og til drivstoffet.
Til slutt, mens en del av drivstoffet, deuterium, er naturlig rikelig i sjøvann, tritium er mye sjeldnere. Fusion selv produserer faktisk tritium, så forskere håper å utvikle måter å høste denne tritium direkte på. I mellomtiden er det andre tilgjengelige metoder for å produsere nødvendig drivstoff.
Disse og andre vitenskapelige, teknologiske og tekniske hindringer må overvinnes før fusjon vil produsere strøm til hjemmet ditt. Det må også arbeides for å få kostnadene ved et fusjonskraftverk godt ned fra USD 3.5 milliarder av National Ignition Facility. Disse trinnene vil kreve betydelige investeringer fra både den føderale regjeringen og privat industri.
Det er verdt å merke seg at det er et globalt kappløp rundt fusjon, med mange andre laboratorier rundt om i verden å følge ulike teknikker. Men med det nye resultatet fra National Ignition Facility har verden for første gang sett bevis på at drømmen om fusjon er oppnåelig.
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
Bilde Credit: US Department of Energy/Lawrence Livermore National Laboratory
