Een tijd van transitie en potentieel voor fusie-energie

Eeuwenlang hebben mensen van gedroomd de kracht van de zon benutten om ons leven hier op aarde te activeren. Maar we willen verder gaan dan het verzamelen van zonne-energie, en op een dag onze eigen genereren van een mini-zon. Als we in staat zijn om een ​​uiterst complex geheel van wetenschappelijke en technische problemen op te lossen, belooft fusie-energie een groene, veilige, onbeperkte energiebron. Van gewoon één kilogram deuterium geëxtraheerd uit water per dag zou genoeg elektriciteit kunnen opleveren om honderdduizenden huizen van stroom te voorzien.

Sinds de 1950s heeft wetenschappelijk en technisch onderzoek genereerde enorme vooruitgang naar het forceren van waterstofatomen om samen te smelten in een zichzelf in stand houdende reactie - evenals een kleine maar aantoonbare hoeveelheid van fusie-energie. Sceptici en voorstanders let op de twee belangrijkste resterende uitdagingen: behoud van de reacties gedurende lange tijd en het bedenken van een materiële structuur om de fusiekracht voor elektriciteit te benutten.

Als fusieonderzoekers bij de Princeton Plasma Physics Lab, we weten dat realistisch gezien, de eerste commerciële fusiecentrale nog minstens 25 jaren verwijderd is. Maar het potentieel voor zijn buitenmaatse voordelen om in de tweede helft van deze eeuw aan te komen, betekent dat we moeten blijven werken. Grote demonstraties van de haalbaarheid van fusie kunnen eerder worden bereikt - en dat moet, zodat fusiekracht kan worden opgenomen in de planning voor onze energietoekomst.

In tegenstelling tot andere vormen van elektriciteitsopwekking, zoals zonne-energie, aardgas en kernsplijting, kan fusie niet in miniatuur worden ontwikkeld en vervolgens eenvoudig worden opgeschaald. De experimentele stappen zijn groot en het kost tijd om te bouwen. Maar het probleem van overvloedige, schone energie zal een zijn grote roep om de mensheid voor de volgende eeuw en daarna. Het zou roekeloos zijn om niet volledig gebruik te maken van deze meest veelbelovende energiebron.

Waarom fusievermogen?

In fusie, twee kernen van het waterstofatoom (deuterium en tritiumisotopen) samensmelten. Dit is relatief moeilijk om te doen: beide kernen zijn positief geladen en daarom stoten ze elkaar af. Alleen als ze extreem snel bewegen wanneer ze botsen, slaan ze samen, smelten en laten ze de energie los die we zoeken.


innerlijk abonneren grafisch


Dit gebeurt natuurlijk in de zon. Hier op aarde gebruiken we krachtige magneten om een ​​extreem heet gas van elektrisch geladen deuterium en tritiumkernen en elektronen te bevatten. Dit hete, geladen gas wordt een plasma genoemd.

Het plasma is zo heet - meer dan 100 miljoen graden Celsius - dat de positief geladen kernen snel genoeg bewegen om hun elektrische afstoting en lont te overwinnen. Wanneer de kernen samensmelten, vormen ze twee energetische deeltjes - een alfadeeltje (de kern van het heliumatoom) en een neutron.

Het verwarmen van het plasma tot zo'n hoge temperatuur vergt een grote hoeveelheid energie - die moet in de reactor worden geplaatst voordat de fusie kan beginnen. Maar zodra het op gang komt, heeft fusie het potentieel om genoeg energie te genereren om zijn eigen warmte te behouden, waardoor we overtollige warmte kunnen afvoeren om bruikbare elektriciteit te worden.

Brandstof voor fusiekracht is overvloedig aanwezig in de natuur. Deuterium is overvloedig in water en de reactor zelf kan dat maak tritium uit lithium. En het is beschikbaar voor alle landen, meestal onafhankelijk van lokale natuurlijke hulpbronnen.

Fusion power is schoon. Het stoot geen broeikasgassen uit en produceert alleen helium en een neutron.

Het is veilig. Er bestaat geen mogelijkheid voor een weggelopen reactie, net als een kernsmelting "meltdown". Integendeel, als er een storing is, koelt het plasma af en stoppen de fusiereacties.

Al deze eigenschappen hebben al tientallen jaren gemotiveerd onderzoek en zijn na verloop van tijd zelfs nog aantrekkelijker geworden. Maar de positieven worden geëvenaard door de significante wetenschappelijke uitdaging van fusie.

Vooruitgang tot nu toe

De voortgang in fusie kan op twee manieren worden gemeten. De eerste is de enorme vooruitgang in het basisbegrip van plasma's met hoge temperaturen. Wetenschappers moesten een nieuw veld van natuurkunde ontwikkelen - plasma fysica - methoden bedenken om het plasma te beperken in sterke magnetische velden, en dan de mogelijkheden ontwikkelen om te verwarmen, te stabiliseren, turbulentie te regelen en de eigenschappen van het superhoge plasma te meten.

Gerelateerde technologie is ook enorm gevorderd. Wij hebben duwde de grenzen in magneten, en elektromagnetische golfbronnen en deeltjesbundels aan het plasma bevatten en verwarmen. We hebben ook technieken ontwikkeld om dat te doen materialen kunnen de intense hitte weerstaan van het plasma in huidige experimenten.

Het is gemakkelijk om de praktische meetgegevens over te brengen die de opmars van fusie naar commercialisering volgen. De belangrijkste onder hen is de fusiekracht die in het laboratorium is gegenereerd: de stroomproductie van fusie escaleerde van milliwatts voor microseconden in de 1970s naar 10 megawatt fusie-energie (in het Princeton Plasma Physics Laboratory) en 16 megawatt voor één seconde (bij de Joint European Torus in Engeland) in de 1990s.

Een nieuw hoofdstuk in onderzoek

Nu werkt de internationale wetenschappelijke gemeenschap samen om een ​​groot fusieonderzoekscentrum in Frankrijk te bouwen. Called ITER (Latijn voor "the way"), deze plant genereert ongeveer 500 megawatt thermische fusiemacht voor ongeveer acht minuten per keer. Als deze stroom zou worden omgezet in elektriciteit, zou deze over 150,000-huizen kunnen gaan. Als een experiment, zal het ons in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke en technische kwesties te testen ter voorbereiding op fusiecentrales die continu zullen functioneren.

ITER maakt gebruik van het ontwerp dat bekend staat als de "tokamak, "Oorspronkelijk een Russisch acroniem. Het betreft een donutvormig plasma, opgesloten in een zeer sterk magnetisch veld, dat gedeeltelijk wordt gevormd door elektrische stroom die in het plasma zelf stroomt.

Hoewel het is ontworpen als een onderzoeksproject en niet bedoeld is als netto-producent van elektrische energie, zal ITER 10 keer meer fusie-energie produceren dan de 50-megawatt die nodig is om het plasma te verwarmen. Dit is een enorme wetenschappelijke stap, het creëren van de eerste "brandend plasma, "Waarin de meeste energie die wordt gebruikt om het plasma te verwarmen afkomstig is van de fusiereactie zelf.

ITER wordt ondersteund door regeringen die de helft van de wereldbevolking vertegenwoordigen: China, de Europese Unie, India, Japan, Rusland, Zuid-Korea en de VS Het is een sterke internationale verklaring over de noodzaak en belofte van fusie-energie.

De weg voorwaarts

Vanaf hier heeft het overblijvende pad naar fusie-energie twee componenten. Ten eerste moeten we onderzoek naar de tokamak voortzetten. Dit betekent voortschrijdende fysica en engineering, zodat we het plasma maanden in een keer in een stabiele toestand kunnen houden. We zullen materialen moeten ontwikkelen die bestand zijn tegen een hoeveelheid warmte die gelijk is aan een vijfde van de warmtestroom op het oppervlak van de zon gedurende lange perioden. En we moeten materialen ontwikkelen die de reactorkern zullen bedekken om de neutronen te absorberen en tritium te broeden.

De tweede component op het pad naar fusie is het ontwikkelen van ideeën die de aantrekkelijkheid van fusie vergroten. Vier van dergelijke ideeën zijn:

1) Optimaliseer fusiereactorontwerpen met behulp van computers binnen de beperkingen van fysica en engineering. Naast wat mensen kunnen berekenen, produceren deze geoptimaliseerde ontwerpen gedraaide donutvormen die zeer stabiel zijn en maanden achter elkaar automatisch kunnen werken. Ze worden 'stellarators' genoemd in de fusiebusiness.

2) Ontwikkeling van nieuwe supergeleidende magneten met hoge temperatuur die sterker en kleiner kunnen zijn dan het beste van vandaag. Dat zal ons toelaten om kleinere, en waarschijnlijk goedkopere, fusiereactoren te bouwen.

3) Gebruik van vloeibaar metaal, in plaats van een vaste stof, als het materiaal rond het plasma. Vloeibare metalen breken niet, een mogelijke oplossing bieden voor de immense uitdaging hoe een omringend materiaal zich zou kunnen gedragen wanneer het in contact komt met het plasma.

4) Bouwsystemen met donut-vormige plasma's met geen gat in het midden, vormen een plasma gevormd bijna als een bol. Sommige van deze benaderingen kunnen ook werken met een zwakker magnetisch veld. Deze "compacte tori"En" low-field "benaderingen bieden ook de mogelijkheid van kleinere afmetingen en kosten.

Door de overheid gesponsorde onderzoeksprogramma's over de hele wereld werken aan de elementen van beide componenten - en zullen resulteren in bevindingen die alle benaderingen van fusie-energie ten goede komen (evenals ons begrip van plasma's in de kosmos en de industrie). In het verleden 10 tot 15 jaar, privaat gefinancierde bedrijven hebben zich ook bij de inspanning gevoegd, met name op zoek naar compacte tori en low-field doorbraken. Er komt vooruitgang en het brengt overvloedige, schone en veilige energie met zich mee.

The Conversation

Over de auteur

Stewart Prager, hoogleraar astrofysica, voormalig directeur van het Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University en Michael C. Zarnstorff, adjunct-directeur voor onderzoek, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

[Noot van de redactie: hier is een waarschuwend bericht betreffende fusie-energie.]

Related Books:

at InnerSelf Market en Amazon