Oamenii de știință americani au anunțat ceea ce au numit o descoperire majoră într-un obiectiv de mult evaziv de a crea energie din fuziunea nucleară.
Departamentul de Energie al SUA a declarat, pe 13 decembrie 2022, că pentru prima dată – și după câteva decenii de încercări – oamenii de știință au reușit să obțină mai multă energie din proces decât trebuiau să pună.
Dar cât de semnificativă este dezvoltarea? Și cât de departe este visul mult căutat de fuziune care oferă energie abundentă și curată? Carolyn Kuranz, profesor asociat de inginerie nucleară la Universitatea din Michigan, care a lucrat la instalația care tocmai a doborât recordul de fuziune, ajută la explicarea acestui nou rezultat.
Ce s-a întâmplat în camera de fuziune?
Fuziune este o reacție nucleară care combină doi atomi pentru a crea unul sau mai mulți atomi noi cu o masă totală puțin mai mică. Diferența de masă este eliberată ca energie, așa cum este descrisă de celebra ecuație a lui Einstein, E = mc2 , unde energia este egală cu masa înmulțită cu viteza luminii la pătrat. Deoarece viteza luminii este enormă, convertirea doar a unei cantități mici de masă în energie - ca ceea ce se întâmplă în fuziune - produce o cantitate la fel de enormă de energie.
Cercetători de la guvernul SUA Instalația Națională de Aprindere în California au demonstrat, pentru prima dată, ceea ce este cunoscut sub numele de „aprindere prin fuziune”. Aprinderea este atunci când o reacție de fuziune produce mai multă energie decât este introdusă în reacție dintr-o sursă exterioară și devine auto-susținută.
Tehnica folosită la Instalația Națională de Aprindere a presupus tragerea a 192 de lasere la a Pelete de combustibil de 0.04 inchi (1 mm). realizate din deuteriu și tritiu - două versiuni ale elementului hidrogen cu neutroni suplimentari - plasate într-o canistra de aur. Când laserele lovesc recipientul, ele produc raze X care încălzesc și comprimă peletul de combustibil la aproximativ 20 de ori densitatea plumbului și la peste 5 milioane de grade Fahrenheit (3 milioane Celsius) - de aproximativ 100 de ori mai fierbinte decât suprafața soare. Dacă puteți menține aceste condiții pentru un timp suficient de lung, combustibilul va fuziona și va elibera energie.
Combustibilul și recipientul se vaporizează în câteva miliarde de secundă în timpul experimentului. Cercetătorii speră apoi că echipamentul lor a supraviețuit căldurii și a măsurat cu precizie energia eliberată de reacția de fuziune.
Deci, ce au realizat?
Pentru a evalua succesul unui experiment de fuziune, fizicienii se uită la raportul dintre energia eliberată din procesul de fuziune și cantitatea de energie din lasere. Acest raport este numit câștig.
Orice lucru peste un câștig de unu înseamnă că procesul de fuziune a eliberat mai multă energie decât au furnizat laserele.
Pe 5 decembrie 2022, Instituția Națională de Aprindere a împușcat un granule de combustibil cu două milioane de jouli de energie laser - aproximativ cantitatea de putere necesară pentru a rula un uscător de păr timp de 15 minute - toate conținute în câteva miliarde de secundă. Aceasta a declanșat o reacție de fuziune care a eliberat trei milioane de jouli. Acesta este un câștig de aproximativ 1.5, doborând recordul anterior de câștig de 0.7 atins de unitate în august 2021.
Cât de mare este acest rezultat?
Energia de fuziune a fost „Sfântul Graal” al producerii de energie pentru aproape o jumătate de secol. Deși un câștig de 1.5 este, cred, o descoperire științifică cu adevărat istorică, mai este încă un drum lung de parcurs până când fuziunea devine o sursă de energie viabilă.
În timp ce energia laser de 2 milioane de jouli a fost mai mică decât randamentul de fuziune de 3 milioane de jouli, instalația a luat aproape 300 de milioane de jouli pentru producerea laserelor folosit în acest experiment. Acest rezultat a arătat că aprinderea prin fuziune este posibilă, dar va fi nevoie de multă muncă pentru a îmbunătăți eficiența până la punctul în care fuziunea poate oferi un randament net pozitiv de energie atunci când se ia în considerare întregul sistem end-to-end, nu doar un interacțiune unică între lasere și combustibil.
Ce trebuie îmbunătățit?
Există o serie de piese ale puzzle-ului de fuziune pe care oamenii de știință le-au îmbunătățit constant de zeci de ani pentru a produce acest rezultat, iar lucrările ulterioare pot face acest proces mai eficient.
În primul rând, laserele erau doar inventat în 1960. Când guvernul SUA a finalizat construcția Instalației Naționale de Aprindere în 2009, a fost cea mai puternică instalație laser din lume, capabilă să livreze un milion de jouli de energie către o țintă. Cele două milioane de jouli pe care îi produce astăzi sunt de 50 de ori mai energetice decât cele următorul cel mai puternic laser de pe Pământ. Laserele mai puternice și modalitățile mai puțin consumatoare de energie de a produce acele lasere puternice ar putea îmbunătăți considerabil eficiența generală a sistemului.
Condițiile de fuziune sunt foarte dificil de susținut, și orice mici imperfecțiuni în capsulă sau combustibil poate crește necesarul de energie și poate reduce eficiența. Oamenii de știință au făcut multe progrese transferă mai eficient energia de la laser la recipient si Radiația cu raze X de la recipient la capsula de combustibil, dar în prezent doar despre 10 la sută 30 din energia totală a laserului este transferată în recipient și în combustibil.
În cele din urmă, în timp ce o parte din combustibil, deuteriul, este natural abundent în apa de mare, tritiul este mult mai rar. Fuziunea în sine produce de fapt tritiu, așa că cercetătorii speră să dezvolte modalități de recoltare directă a acestui tritiu. Între timp, există alte metode disponibile pentru a produce combustibilul necesar.
Acestea și alte obstacole științifice, tehnologice și de inginerie vor trebui depășite înainte ca fuziunea să producă electricitate pentru casa ta. De asemenea, va trebui să se lucreze pentru a reduce costul unei centrale electrice de fuziune 3.5 miliarde USD din Facilitatea Națională de Aprindere. Acești pași vor necesita investiții semnificative atât din partea guvernului federal, cât și a industriei private.
Este demn de remarcat faptul că există o cursă globală în jurul fuziunii, cu multe alte laboratoare din întreaga lume urmând diferite tehnici. Dar odată cu noul rezultat de la Instalația Națională de Aprindere, lumea a văzut, pentru prima dată, dovezi că visul de fuziune este realizabil.
Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.
Credit imagine: Departamentul de Energie al SUA/Laboratorul Naţional Lawrence Livermore
