Ώρα μετάβασης και δυναμικό για ενέργεια σύντηξης

Για αιώνες, οι άνθρωποι ονειρεύονταν αξιοποιώντας τη δύναμη του ήλιου για να ενεργοποιήσουμε τη ζωή μας εδώ στη Γη. Αλλά θέλουμε να προχωρήσουμε πέρα ​​από τη συλλογή ηλιακής ενέργειας και μια μέρα να δημιουργήσουμε τη δική μας από έναν μίνι ήλιο. Εάν είμαστε σε θέση να λύσουμε ένα εξαιρετικά πολύπλοκο σύνολο επιστημονικών και μηχανικών προβλημάτων, η ενέργεια σύντηξης υπόσχεται α πράσινη, ασφαλής, απεριόριστη πηγή ενέργειας. Απλώς ένα κιλό δευτέριο που εξάγεται από το νερό την ημέρα θα μπορούσε να έρθει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει εκατοντάδες χιλιάδες σπίτια.

Από τη δεκαετία του 1950, η επιστημονική και μηχανική έρευνα έχει δημιούργησε τεράστια πρόοδο προς εξαναγκασμό των ατόμων υδρογόνου να συγχωνευθούν σε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση-καθώς και α μικρό αλλά αποδείξιμο ποσό της ενέργειας σύντηξης. Σκεπτικιστές και υποστηρικτές σημειώστε τις δύο σημαντικότερες προκλήσεις που απομένουν: τη διατήρηση των αντιδράσεων για μεγάλα χρονικά διαστήματα και την επινόηση μιας υλικής δομής για την αξιοποίηση της ισχύος σύντηξης για ηλεκτρική ενέργεια.

Ως ερευνητές σύντηξης στο Princeton Plasma Physics Lab, γνωρίζουμε ότι ρεαλιστικά, ο πρώτος εμπορικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύντηξης απέχει τουλάχιστον 25 χρόνια. Αλλά η δυνατότητα για τα μεγάλα οφέλη του να φτάσουν στο δεύτερο μισό αυτού του αιώνα σημαίνει ότι πρέπει να συνεχίσουμε να δουλεύουμε. Σημαντικές επιδείξεις της σκοπιμότητας της σύντηξης μπορούν να πραγματοποιηθούν νωρίτερα - και πρέπει, έτσι ώστε η δύναμη σύντηξης να μπορεί να ενσωματωθεί στο σχεδιασμό του ενεργειακού μας μέλλοντος.

Σε αντίθεση με άλλες μορφές ηλεκτρικής παραγωγής, όπως το ηλιακό, το φυσικό αέριο και η πυρηνική σχάση, η σύντηξη δεν μπορεί να αναπτυχθεί σε μικρογραφία και στη συνέχεια απλά να κλιμακωθεί. Τα πειραματικά βήματα είναι μεγάλα και χρειάζονται χρόνο για την κατασκευή τους. Αλλά το πρόβλημα της άφθονης, καθαρής ενέργειας θα είναι α μεγάλο κάλεσμα για την ανθρωπότητα για τον επόμενο αιώνα και μετά. Θα ήταν ανόητο να μην αξιοποιηθεί πλήρως αυτή η πολλά υποσχόμενη πηγή ενέργειας.

Γιατί δύναμη σύντηξης;

Σε σύντηξη, δύο πυρήνες του ατόμου υδρογόνου (ισότοπα δευτερίου και τριτίου) ασφάλεια μαζί. Αυτό είναι σχετικά δύσκολο να γίνει: Και οι δύο πυρήνες είναι θετικά φορτισμένοι και επομένως απωθούν ο ένας τον άλλον. Μόνο αν κινούνται πολύ γρήγορα όταν συγκρούονται, θα συντριβούν μαζί, θα λιώσουν και έτσι θα απελευθερώσουν την ενέργεια που ψάχνουμε.


εσωτερικά εγγραφείτε γραφικό


Αυτό συμβαίνει φυσικά στον ήλιο. Εδώ στη Γη, χρησιμοποιούμε ισχυρούς μαγνήτες για να περιέχουμε ένα εξαιρετικά καυτό αέριο από ηλεκτρικά φορτισμένο πυρήνα δευτερίου και τριτίου και ηλεκτρόνια. Αυτό το θερμό, φορτισμένο αέριο ονομάζεται πλάσμα.

Το πλάσμα είναι τόσο ζεστό - πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου - που οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες κινούνται αρκετά γρήγορα για να ξεπεράσουν την ηλεκτρική τους απώθηση και τήξη. Όταν οι πυρήνες συγχωνεύονται, σχηματίζουν δύο ενεργειακά σωματίδια - ένα σωματίδιο άλφα (ο πυρήνας του ατόμου ηλίου) και ένα νετρόνιο.

Η θέρμανση του πλάσματος σε τόσο υψηλή θερμοκρασία απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας - η οποία πρέπει να τοποθετηθεί στον αντιδραστήρα πριν ξεκινήσει η σύντηξη. Αλλά μόλις προχωρήσει, η σύντηξη έχει τη δυνατότητα να παράγει αρκετή ενέργεια για να διατηρήσει τη δική της θερμότητα, επιτρέποντάς μας να αφαιρέσουμε την υπερβολική θερμότητα για να μετατραπεί σε χρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα.

Το καύσιμο για τη σύντηξη είναι άφθονο στη φύση. Το δευτέριο είναι άφθονο στο νερό και ο ίδιος ο αντιδραστήρας μπορεί φτιάξτε τρίτιο από λίθιο. Και είναι διαθέσιμο σε όλα τα έθνη, κυρίως ανεξάρτητα από τους τοπικούς φυσικούς πόρους.

Η ισχύς σύντηξης είναι καθαρή. Δεν εκπέμπει αέρια θερμοκηπίου και παράγει μόνο ήλιο και νετρόνιο.

Είναι ασφαλές. Υπάρχει δεν υπάρχει δυνατότητα αντίδρασης σε φυγή, όπως μια «κατάρρευση» πυρηνικής σχάσης. Αντιθέτως, εάν υπάρχει κάποια δυσλειτουργία, το πλάσμα ψύχεται και οι αντιδράσεις σύντηξης σταματούν.

Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά έχουν κινητοποιήσει την έρευνα για δεκαετίες και έχουν γίνει ακόμη πιο ελκυστικά με την πάροδο του χρόνου. Αλλά τα θετικά συνδυάζονται με τη σημαντική επιστημονική πρόκληση της σύντηξης.

Πρόοδος μέχρι σήμερα

Η πρόοδος της σύντηξης μπορεί να μετρηθεί με δύο τρόπους. Το πρώτο είναι η τεράστια πρόοδος στη βασική κατανόηση των πλασμάτων υψηλής θερμοκρασίας. Οι επιστήμονες έπρεπε να αναπτύξουν ένα νέο πεδίο φυσικής - φυσική πλάσματος - να σχεδιάσει μεθόδους για τον περιορισμό του πλάσματος σε ισχυρά μαγνητικά πεδία και, στη συνέχεια, να εξελίξει τις ικανότητες θερμότητας, σταθεροποίησης, ελέγχου των αναταράξεων και μέτρησης των ιδιοτήτων του υπερθερμασμένου πλάσματος.

Η σχετική τεχνολογία έχει επίσης προχωρήσει πάρα πολύ. Εχουμε ώθησε τα σύνορα σε μαγνήτες, και πηγές ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και δέσμες σωματιδίων προς περιέχουν και θερμαίνουν το πλάσμα. Έχουμε επίσης αναπτύξει τεχνικές έτσι ώστε τα υλικά μπορούν να αντέξουν την έντονη θερμότητα του πλάσματος στα τρέχοντα πειράματα.

Είναι εύκολο να μεταφερθούν οι πρακτικές μετρήσεις που παρακολουθούν την πορεία της σύντηξης προς την εμπορευματοποίηση. Η κυριότερη από αυτές είναι η ισχύς σύντηξης που έχει παραχθεί στο εργαστήριο: Η παραγωγή ενέργειας σύντηξης αυξήθηκε από τα μιλιβάτ για μικροδευτερόλεπτα τη δεκαετία του 1970 σε 10 μεγαβάτ ισχύος σύντηξης (στο εργαστήριο Φυσικής του Πρίνστον Πλάσμα) και 16 μεγαβάτ για ένα δευτερόλεπτο (στο Joint European Torus στην Αγγλία) τη δεκαετία του 1990.

Ένα νέο κεφάλαιο στην έρευνα

Τώρα η διεθνής επιστημονική κοινότητα εργάζεται ενιαία για να κατασκευάσει μια τεράστια εγκατάσταση έρευνας σύντηξης στη Γαλλία. Που ονομάζεται ITER (Λατινικά για τον τρόπο), αυτό το εργοστάσιο θα παράγει περίπου 500 μεγαβάτ θερμικής ισχύος σύντηξης για περίπου οκτώ λεπτά κάθε φορά. Εάν αυτή η ενέργεια μετατρεπόταν σε ηλεκτρική, θα μπορούσε να τροφοδοτήσει περίπου 150,000 σπίτια. Ως πείραμα, θα μας επιτρέψει να δοκιμάσουμε βασικά ζητήματα επιστήμης και μηχανικής κατά την προετοιμασία για μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύντηξης που θα λειτουργούν συνεχώς.

Ο ITER χρησιμοποιεί το σχέδιο γνωστό ως «tokamak, "Αρχικά ρωσικό αρκτικόλεξο. Περιλαμβάνει ένα πλάσμα σε σχήμα ντόνατ, περιορισμένο σε ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται εν μέρει από ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει στο ίδιο το πλάσμα.

Αν και έχει σχεδιαστεί ως ερευνητικό έργο και δεν προορίζεται να είναι καθαρός παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας, το ITER θα παράγει 10 φορές περισσότερη ενέργεια σύντηξης από τα 50 μεγαβάτ που χρειάζονται για τη θέρμανση του πλάσματος. Αυτό είναι ένα τεράστιο επιστημονικό βήμα, δημιουργώντας το πρώτο "πλάσμα που καίγεται, "Στο οποίο το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του πλάσματος προέρχεται από την ίδια την αντίδραση σύντηξης.

Το ITER υποστηρίζεται από κυβερνήσεων που εκπροσωπούν τον μισό πληθυσμό του πλανήτη: Κίνα, Ευρωπαϊκή Ένωση, Ινδία, Ιαπωνία, Ρωσία, Νότια Κορέα και ΗΠΑ Είναι μια ισχυρή διεθνής δήλωση σχετικά με την ανάγκη και υπόσχεση ενέργειας σύντηξης.

Ο δρόμος προς τα εμπρός

Από εδώ, η εναπομένουσα πορεία προς τη δύναμη σύντηξης έχει δύο συστατικά. Πρώτον, πρέπει να συνεχίσουμε την έρευνα για το tokamak. Αυτό σημαίνει την πρόοδο της φυσικής και της μηχανικής έτσι ώστε να μπορούμε να διατηρήσουμε το πλάσμα σε σταθερή κατάσταση για μήνες κάθε φορά. Θα χρειαστεί να αναπτύξουμε υλικά που μπορούν να αντέξουν μια ποσότητα θερμότητας ίση με το ένα πέμπτο της ροής θερμότητας στην επιφάνεια του ήλιου για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Και πρέπει να αναπτύξουμε υλικά που θα καλύψουν τον πυρήνα του αντιδραστήρα για να απορροφήσουν τα νετρόνια και να δημιουργήσουν τρίτιο.

Το δεύτερο συστατικό στην πορεία προς τη σύντηξη είναι η ανάπτυξη ιδεών που ενισχύουν την ελκυστικότητα της σύντηξης. Τέσσερις τέτοιες ιδέες είναι:

1) Χρησιμοποιώντας υπολογιστές, βελτιστοποιήστε τα σχέδια αντιδραστήρων σύντηξης εντός των περιορισμών της φυσικής και της μηχανικής. Πέρα από αυτό που μπορούν να υπολογίσουν οι άνθρωποι, παράγουν αυτά τα βελτιστοποιημένα σχέδια στριμμένα σχήματα ντόνατ που είναι εξαιρετικά σταθερά και μπορούν να λειτουργούν αυτόματα για μήνες. Ονομάζονται "stellarators" στην επιχείρηση σύντηξης.

2) Ανάπτυξη νέων υπεραγώγιμων μαγνητών υψηλής θερμοκρασίας που μπορούν να είναι ισχυρότεροι και μικρότεροι από το καλύτερο σήμερα. Αυτό θα μας επιτρέψει να κατασκευάσουμε μικρότερους και πιθανώς φθηνότερους αντιδραστήρες σύντηξης.

3) Χρησιμοποιώντας υγρό μέταλλο και όχι στερεό, ως υλικό που περιβάλλει το πλάσμα. Τα υγρά μέταλλα δεν σπάνε, προσφέροντας μια πιθανή λύση στην τεράστια πρόκληση πώς μπορεί να συμπεριφέρεται ένα περιβάλλον υλικό όταν έρχεται σε επαφή με το πλάσμα.

4) Δημιουργία συστημάτων που περιέχουν πλάσματα σε σχήμα ντόνατ με καμία τρύπα στο κέντρο, σχηματίζοντας ένα πλάσμα σε σχήμα σχεδόν σαν σφαίρα. Ορισμένες από αυτές τις προσεγγίσεις θα μπορούσαν επίσης να λειτουργήσουν με ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα "συμπαγής τόρι»Και οι προσεγγίσεις« χαμηλού πεδίου »προσφέρουν επίσης τη δυνατότητα μειωμένου μεγέθους και κόστους.

Ερευνητικά προγράμματα χρηματοδοτούμενα από την κυβέρνηση σε όλο τον κόσμο εργάζονται για τα στοιχεία και των δύο συστατικών - και θα καταλήξουν σε ευρήματα που ωφελούν όλες τις προσεγγίσεις στην ενέργεια σύντηξης (καθώς και την κατανόηση των πλασμάτων στον κόσμο και τη βιομηχανία). Τα τελευταία 10 με 15 χρόνια, Στην προσπάθεια συμμετείχαν επίσης εταιρείες ιδιωτικής χρηματοδότησης, ιδιαίτερα στην αναζήτηση συμπαγούς τορί και ανακαλύψεις χαμηλού πεδίου. Η πρόοδος έρχεται και θα φέρει μαζί της άφθονη, καθαρή, ασφαλή ενέργεια.

Η Συνομιλία

Σχετικά με το Συγγραφέας

Stewart Prager, Καθηγητής Αστροφυσικής Επιστήμης, πρώην διευθυντής του Εργαστηρίου Φυσικής του Πρίνστον Πλάσμα, Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και Michael C. Zarnstorff, Αναπληρωτής Διευθυντής Έρευνας, Princeton Plasma Physics Laboratory, Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

[Σημείωση συντάκτη: Εδώ είναι ένα προειδοποιητικό μήνυμα σχετικά με την ενέργεια σύντηξης.]

Σχετικές Βιβλία:

at InnerSelf Market και Amazon