Amerikanska forskare har meddelat vad de har kallat ett stort genombrott i ett länge svårfångat mål att skapa energi från kärnfusion.
Det amerikanska energidepartementet sa den 13 december 2022 att forskare för första gången – och efter flera decennier av försök – har lyckats få ut mer energi ur processen än de behövde lägga in.
Men hur betydande är utvecklingen? Och hur långt borta är den länge eftersökta drömmen om fusion som ger riklig, ren energi? Carolyn Kuranz, en docent i kärnteknik vid University of Michigan som har arbetat vid anläggningen som just slog fusionsrekordet, hjälper till att förklara detta nya resultat.
Vad hände i Fusionskammaren?
fusion är en kärnreaktion som kombinerar två atomer för att skapa en eller flera nya atomer med något mindre total massa. Skillnaden i massa frigörs som energi, som beskrivs av Einsteins berömda ekvation, E = mc2 , där energi är lika med massa gånger ljusets hastighet i kvadrat. Eftersom ljusets hastighet är enorm, omvandlar bara en liten mängd massa till energi – som vad som händer vid fusion – en liknande enorm mängd energi.
Forskare vid den amerikanska regeringen Nationell tändanläggning i Kalifornien har för första gången visat vad som kallas "fusionständning". Tändning är när en fusionsreaktion producerar mer energi än som läggs in i reaktionen från en extern källa och blir självförsörjande.
Tekniken som användes vid National Ignition Facility involverade att skjuta 192 lasrar mot en 0.04 tum (1 mm) bränslepellets gjord av deuterium och tritium – två versioner av grundämnet väte med extra neutroner – placerade i en guldkanister. När lasrarna träffar kapseln producerar de röntgenstrålar som värmer och komprimerar bränslepelletsen till ungefär 20 gånger blytätheten och till mer än 5 miljoner grader Fahrenheit (3 miljoner Celsius) – ungefär 100 gånger varmare än ytan på Sol. Om du kan upprätthålla dessa förhållanden tillräckligt länge, bränsle smälter samman och frigör energi.
Bränslet och kapseln förångas inom några miljarddelar av en sekund under experimentet. Forskare hoppas sedan att deras utrustning överlevde värmen och exakt mätte energin som frigjordes av fusionsreaktionen.
Så vad åstadkom de?
För att bedöma framgången med ett fusionsexperiment tittar fysiker på förhållandet mellan energin som frigörs från fusionsprocessen och mängden energi i lasrarna. Detta förhållande är kallas vinst.
Allt över en vinst på ett betyder att fusionsprocessen frigjorde mer energi än lasrarna levererade.
Den 5 december 2022 sköt National Ignition Facility en pellets bränsle med två miljoner joule laserenergi – ungefär den mängd ström som krävs för att köra en hårtork i 15 minuter – allt inom några miljarddelar av en sekund. Detta utlöste en fusionsreaktion som släppte tre miljoner joule. Det är en vinst på cirka 1.5, vilket slog det tidigare rekordet med en vinst på 0.7 uppnåddes av anläggningen i augusti 2021.
Hur stor affär är detta resultat?
Fusionsenergi har varit energiproduktionens ”heliga graal” för nästan ett halvt sekel. Även om en vinst på 1.5 är, tror jag, ett verkligt historiskt vetenskapligt genombrott, är det fortfarande en lång väg kvar att gå innan fusion är en livskraftig energikälla.
Medan laserenergin på 2 miljoner joule var mindre än fusionsutbytet på 3 miljoner joule, tog den anläggningen nästan 300 miljoner joule för att producera lasrarna används i detta experiment. Detta resultat har visat att fusionständning är möjlig, men det kommer att krävas mycket arbete för att förbättra effektiviteten till den punkt där fusion kan ge en positiv nettoenergiåterföring när man tar hänsyn till hela end-to-end-systemet, inte bara en enkel interaktion mellan lasrarna och bränslet.
Vad behöver förbättras?
Det finns ett antal bitar av fusionspusslet som forskare stadigt har förbättrat i årtionden för att producera detta resultat, och ytterligare arbete kan göra denna process mer effektiv.
Först var det bara lasrar uppfunnit i 1960. När den amerikanska regeringen slutförde bygget av National Ignition Facility 2009, det var den mest kraftfulla laseranläggningen i världen som kunde leverera en miljon joule energi till ett mål. De två miljoner joule den producerar idag är 50 gånger mer energisk än näst kraftigaste lasern på jorden. Kraftfullare lasrar och mindre energikrävande sätt att producera dessa kraftfulla lasrar kan avsevärt förbättra systemets totala effektivitet.
Fusionsförhållandena är mycket utmanande att upprätthålla, och vilken som helst liten defekt i kapseln eller bränslet kan öka energibehovet och minska effektiviteten. Forskare har gjort stora framsteg överför energi från lasern till kapseln mer effektivt och Röntgenstrålning från kapseln till bränslekapseln, men för närvarande bara ca 10 till 30 procent av den totala laserenergin överförs till kapseln och till bränslet.
Slutligen, medan en del av bränslet, deuterium, är naturligt rikligt i havsvatten är tritium mycket sällsyntare. Fusion själv producerar faktiskt tritium, så forskare hoppas kunna utveckla sätt att skörda detta tritium direkt. Under tiden finns det andra tillgängliga metoder för att producera det nödvändiga bränslet.
Dessa och andra vetenskapliga, tekniska och tekniska hinder måste övervinnas innan fusion kommer att producera el till ditt hem. Arbete kommer också att behöva göras för att sänka kostnaderna för ett fusionskraftverk väl US$3.5 miljarder av National Ignition Facility. Dessa steg kommer att kräva betydande investeringar från både den federala regeringen och den privata industrin.
Det är värt att notera att det pågår en global ras kring fusion, med många andra labb runt om i världen utöva olika tekniker. Men med det nya resultatet från National Ignition Facility har världen för första gången sett bevis för att drömmen om fusion är möjlig.
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Image Credit: US Department of Energy/Lawrence Livermore National Laboratory
