Ameriški znanstveniki so napovedali, kot so rekli, velik preboj v dolgo nedosegljivem cilju ustvarjanja energije iz jedrske fuzije.
Ameriško ministrstvo za energijo je 13. decembra 2022 sporočilo, da je znanstvenikom prvič – in po več desetletjih poskusov – uspelo iz procesa pridobiti več energije, kot so jo morali vložiti.
Toda kako pomemben je razvoj? In kako daleč so dolgo pričakovane sanje o fuziji, ki zagotavlja obilno, čisto energijo? Carolyn Kuranz, izredni profesor jedrske tehnike na Univerzi v Michiganu, ki je delal v objektu, ki je pravkar podrl fuzijski rekord, pomaga razložiti ta novi rezultat.
Kaj se je zgodilo v fuzijski komori?
fusion je jedrska reakcija, ki združi dva atoma, da ustvari enega ali več novih atomov z nekoliko manjšo skupno maso. Razlika v masi se sprosti kot energija, kot opisuje znana Einsteinova enačba E = mc2 , kjer je energija enaka masi, pomnoženi s kvadratom svetlobne hitrosti. Ker je hitrost svetlobe ogromna, pretvorba le majhne količine mase v energijo – kot se zgodi pri fuziji – proizvede podobno ogromno količino energije.
Raziskovalci ameriške vlade Nacionalna naprava za vžig v Kaliforniji so prvič pokazali, kar je znano kot "fuzijski vžig". Vžig je, ko fuzijska reakcija proizvede več energije, kot je vnese v reakcijo iz zunanjega vira, in postane samozadostna.
Tehnika, uporabljena v National Ignition Facility, je vključevala streljanje 192 laserjev na a 0.04 palca (1 mm) peleta goriva iz devterija in tritija - dveh različic elementa vodika z dodatnimi nevtroni - v zlatem kanistru. Ko laserji zadenejo posodo, proizvedejo rentgenske žarke, ki segrejejo in stisnejo gorivne kroglice na približno 20-kratno gostoto svinca in na več kot 5 milijonov stopinj Fahrenheita (3 milijone Celzija) – približno 100-krat bolj vroče od površine sonce. Če lahko te pogoje vzdržujete dovolj dolgo, gorivo se bo zlilo in sprostilo energijo.
Gorivo in kanister med poskusom izhlapita v nekaj milijardah sekunde. Raziskovalci nato upajo, da je njihova oprema preživela vročino in natančno izmerila energijo, sproščeno pri fuzijski reakciji.
Kaj so torej dosegli?
Da bi ocenili uspeh fuzijskega eksperimenta, fiziki pogledajo razmerje med energijo, sproščeno v procesu fuzije, in količino energije v laserjih. To razmerje je imenovan dobiček.
Vse, kar je nad dobitkom ena, pomeni, da je fuzijski proces sprostil več energije, kot so jo zagotovili laserji.
5. decembra 2022 je National Ignition Facility izstrelil kroglico goriva z dvema milijonoma joulov laserske energije – približno toliko energije, ki je potrebna za 15-minutno delovanje sušilnika za lase – vse v nekaj milijardah sekunde. To je sprožilo fuzijsko reakcijo, ki sprostil tri milijone joulov. To je povečanje za približno 1.5, kar je podrlo prejšnji rekord povečanja v višini 0.7, ki ga je objekt dosegel avgusta 2021.
Kako velik je ta rezultat?
Energija fuzije je bil »sveti gral« proizvodnje energije za skoraj pol stoletja. Medtem ko je dobiček 1.5 po mojem mnenju resnično zgodovinski znanstveni preboj, je še dolga pot, preden bo fuzija uspešen vir energije.
Medtem ko je bila laserska energija 2 milijona joulov manjša od fuzijskega izkoristka 3 milijonov joulov, je objekt potreboval skoraj 300 milijonov joulov za proizvodnjo laserjev uporabljen v tem poskusu. Ta rezultat je pokazal, da je fuzijski vžig mogoč, vendar bo potrebno veliko dela za izboljšanje učinkovitosti do točke, ko lahko fuzija zagotovi neto pozitiven donos energije, če upoštevamo celoten sistem od konca do konca, ne le ena interakcija med laserji in gorivom.
Kaj je treba izboljšati?
Obstajajo številni deli fuzijske sestavljanke, ki so jih znanstveniki desetletja vztrajno izboljševali, da bi dosegli ta rezultat, nadaljnje delo pa lahko naredi ta proces učinkovitejši.
Najprej so bili samo laserji izumil leta 1960. Ko je vlada ZDA leta 2009 zaključila gradnjo Nacionalne vžigalne naprave, je bil najmočnejši laserski objekt na svetu, ki je lahko dosegel en milijon džulov energije do cilja. Dva milijona joulov, ki jih proizvede danes, je 50-krat več energije kot naslednji najmočnejši laser na Zemlji. Močnejši laserji in manj energetsko intenzivni načini za proizvodnjo teh močnih laserjev bi lahko močno izboljšali splošno učinkovitost sistema.
Fuzijski pogoji so zelo zahtevno vzdrževatiin vse majhna nepopolnost v kapsuli ali gorivu lahko poveča porabo energije in zmanjša učinkovitost. Znanstveniki so zelo napredovali pri učinkovitejši prenos energije iz laserja v posodo in Rentgensko sevanje od posode do kapsule za gorivo, vendar trenutno le približno 10 do 30 odstotkov celotne laserske energije se prenese v posodo in gorivo.
Nazadnje, medtem ko je en del goriva, devterij, naraven veliko ga je v morski vodi, tritij je veliko redkejši. Fuzija sama dejansko proizvaja tritij, zato raziskovalci upajo, da bodo razvili načine za neposredno pridobivanje tega tritija. V vmesnem času obstajajo druge metode, ki so na voljo za proizvodnjo potrebnega goriva.
Te in druge znanstvene, tehnološke in inženirske ovire bo treba premagati, preden bo fuzija proizvajala elektriko za vaš dom. Delati bo treba tudi na tem, da se stroški fuzijske elektrarne močno znižajo 3.5 milijarde ameriških dolarjev za National Ignition Facility. Ti koraki bodo zahtevali znatne naložbe tako zvezne vlade kot zasebne industrije.
Treba je omeniti, da obstaja globalna tekma okoli fuzije s številnimi drugimi laboratoriji po vsem svetu zasledovanje različnih tehnik. Toda z novim rezultatom National Ignition Facility je svet prvič videl dokaze, da sanje o fuziji so uresničljive.
Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.
Kreditno slike: Ameriško ministrstvo za energijo/Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore
