De secole, oamenii au visat valorificând puterea soarelui pentru a ne energiza viața aici pe Pământ. Dar vrem să mergem dincolo de colectarea energiei solare și, într-o zi, să ne generăm propria noastră dintr-un mini-soare. Dacă putem rezolva un set extrem de complex de probleme științifice și inginerești, energia de fuziune promite o sursă verde, sigură, nelimitată de energie. De la doar un kilogram de deuteriu extras din apă pe zi ar putea veni suficientă energie electrică pentru a alimenta sute de mii de case.

Începând cu anii 1950, cercetările științifice și inginerești au făcut-o a generat progrese enorme spre forțarea atomilor de hidrogen să fuzioneze împreună într-o reacție de auto-susținere - precum și a cantitate mică, dar demonstrabilă a energiei de fuziune. Scepticii și susținătorii deopotrivă rețineți cele mai importante două provocări rămase: menținerea reacțiilor pe perioade lungi de timp și conceperea unei structuri materiale care să valorifice puterea de fuziune pentru electricitate.

În calitate de cercetători de fuziune la Laboratorul de fizică plasmatică Princeton, știm că, în mod realist, prima centrală comercială de fuziune comercială este încă la cel puțin 25 de ani distanță. Dar potențialul pentru beneficiile sale supradimensionate să ajungă în a doua jumătate a acestui secol înseamnă că trebuie să continuăm să lucrăm. Demonstrații majore ale fezabilității fuziunii pot fi realizate mai devreme - și trebuie, astfel încât puterea de fuziune să poată fi încorporată în planificarea viitorului nostru energetic.

Spre deosebire de alte forme de generare electrică, cum ar fi solara, gazele naturale și fisiunea nucleară, fuziunea nu poate fi dezvoltată în miniatură și apoi poate fi simplificată. Pașii experimentali sunt mari și necesită timp pentru a construi. Dar problema energiei abundente și curate va fi o chemare majoră pentru omenire pentru secolul următor și nu numai. Ar fi o prostie să nu exploatăm pe deplin această sursă de energie cea mai promițătoare.

De ce puterea de fuziune?

În fuziune, doi nuclei ai atomului de hidrogen (izotopi deuteriu și tritiu) fuzionează împreună. Acest lucru este relativ dificil de realizat: ambele nuclee sunt încărcate pozitiv și, prin urmare, se resping reciproc. Numai dacă se mișcă extrem de repede atunci când se ciocnesc, se vor sparge împreună, se vor contopi și vor elibera astfel energia pe care o urmărim.

Acest lucru se întâmplă în mod natural la soare. Aici, pe Pământ, folosim magneți puternici pentru a conține un gaz extrem de fierbinte de nuclee și electroni încărcați electric de deuteriu și tritiu. Acest gaz fierbinte și încărcat se numește plasmă.

Plasma este atât de fierbinte - mai mult de 100 de milioane de grade Celsius - încât nucleele încărcate pozitiv se mișcă suficient de repede pentru a-și depăși repulsia electrică și siguranța. Când nucleii se fuzionează, formează două particule energetice - o particulă alfa (nucleul atomului de heliu) și un neutron.

Încălzirea plasmei la o temperatură atât de ridicată necesită o cantitate mare de energie - care trebuie introdusă în reactor înainte ca fuziunea să înceapă. Dar odată ce începe, fuziunea are potențialul de a genera suficientă energie pentru a-și menține propria căldură, permițându-ne să extragem căldura în exces pentru a ne transforma în electricitate utilizabilă.

Combustibilul pentru puterea de fuziune este abundent în natură. Deuteriul este abundent în apă, iar reactorul în sine poate faceți tritiu din litiu. Și este disponibil pentru toate națiunile, mai ales independente de resursele naturale locale.

Puterea de fuziune este curată. Nu emite gaze cu efect de seră și produce doar heliu și un neutron.

Este sigur. Există nicio posibilitate de reacție fugară, ca o „topire” a fisiunii nucleare. Mai degrabă, dacă există vreo defecțiune, plasma se răcește și reacțiile de fuziune încetează.

Toate aceste atribute au motivat cercetarea de zeci de ani și au devenit și mai atractive în timp. Dar pozitivele sunt potrivite cu provocarea științifică semnificativă a fuziunii.

Progresul până în prezent

Progresul în fuziune poate fi măsurat în două moduri. Primul este progresul extraordinar în înțelegerea de bază a plasmelor la temperatură înaltă. Oamenii de știință au trebuit să dezvolte un nou domeniu al fizicii - fizica plasmei - să concepă metode pentru a limita plasma în câmpuri magnetice puternice și apoi să evolueze abilitățile de a încălzi, stabiliza, controla turbulența și măsura proprietățile plasmei superhot.

De asemenea, tehnologia conexă a progresat enorm. Noi avem a împins frontierele în magneți, și surse de unde electromagnetice și fascicule de particule către conține și încălzește plasma. De asemenea, am dezvoltat tehnici astfel încât materialele pot rezista căldurii intense a plasmei în experimentele actuale.

Este ușor să transmiți valorile practice care urmăresc marșul fuziunii către comercializare. Principala dintre acestea este puterea de fuziune care a fost generată în laborator: generarea de energie de fuziune a crescut de la milliwați pentru microsecunde în anii 1970 la 10 megawați de putere de fuziune (la Laboratorul de fizică a plasmei Princeton) și 16 megavati pentru o secunda (la Joint European Torus din Anglia) în anii 1990.

Un nou capitol în cercetare

Acum, comunitatea științifică internațională lucrează în unitate pentru a construi o instalație masivă de cercetare a fuziunii în Franța. Chemat ITER (În latină pentru „calea”), această plantă va genera aproximativ 500 de megawatti de putere de fuziune termică timp de aproximativ opt minute la un moment dat. Dacă această putere ar fi transformată în electricitate, ar putea alimenta aproximativ 150,000 de case. Ca experiment, ne va permite să testăm problemele cheie de știință și inginerie în pregătirea centralelor electrice de fuziune care vor funcționa continuu.

ITER folosește designul cunoscut sub numele de „Tokamak, ”Inițial un acronim rusesc. Acesta implică o plasmă în formă de gogoșă, limitată într-un câmp magnetic foarte puternic, care este parțial creat de curentul electric care curge în plasmă.

Deși este conceput ca un proiect de cercetare și nu este destinat să fie un producător net de energie electrică, ITER va produce de 10 ori mai multă energie de fuziune decât cei 50 de megawați necesari pentru încălzirea plasmei. Acesta este un pas științific imens, creând primul „arderea plasmei, ”În care cea mai mare parte a energiei utilizate pentru încălzirea plasmei provine din reacția de fuziune în sine.

ITER este susținut de guverne reprezentând jumătate din populația lumii: China, Uniunea Europeană, India, Japonia, Rusia, Coreea de Sud și SUA Este o declarație internațională puternică despre necesitatea și promisiunea energiei de fuziune.

Drumul înainte

De aici, calea rămasă către puterea de fuziune are două componente. În primul rând, trebuie să continuăm cercetarea asupra tokamak-ului. Aceasta înseamnă avansarea fizicii și a ingineriei, astfel încât să putem susține plasma într-o stare echilibrată luni întregi. Va trebui să dezvoltăm materiale care să reziste la o cantitate de căldură egală cu o cincime din fluxul de căldură de pe suprafața soarelui pentru perioade lungi de timp. Și trebuie să dezvoltăm materiale care vor acoperi nucleul reactorului pentru a absorbi neutronii și pentru a genera tritiu.

A doua componentă pe calea spre fuziune este dezvoltarea de idei care sporesc atractivitatea fuziunii. Patru astfel de idei sunt:

1) Folosind calculatoare, optimizați proiectarea reactoarelor de fuziune în limitele fizicii și ingineriei. Dincolo de ceea ce oamenii pot calcula, aceste modele optimizate produc forme de gogoși răsucite care sunt extrem de stabile și pot funcționa automat luni întregi. Aceștia sunt numiți „stelari” în domeniul fuziunii.

2) Dezvoltarea de noi magneți supraconductori la temperatură înaltă, care pot fi mai puternici și mai mici decât cel mai bun de azi. Acest lucru ne va permite să construim reactoare de fuziune mai mici și probabil mai ieftine.

3) Folosind metal lichid, mai degrabă decât un solid, ca material care înconjoară plasma. Metalele lichide nu se rup, oferind o posibilă soluție la imensa provocare a modului în care s-ar putea comporta un material înconjurător atunci când intră în contact cu plasma.

4) Sisteme de construcție care conțin plasme în formă de gogoașă cu nici o gaură în centru, formând un plasma în formă aproape ca o sferă. Unele dintre aceste abordări ar putea funcționa și cu un câmp magnetic mai slab. Aceste „tori compacteAbordările ”și„ cu câmp redus ”oferă, de asemenea, posibilitatea reducerii dimensiunilor și costurilor.

Programe de cercetare sponsorizate de guvern în întreaga lume lucrează la elementele ambelor componente - și vor avea ca rezultat descoperiri care beneficiază toate abordările energiei de fuziune (precum și înțelegerea noastră a plasmelor din cosmos și industrie). În ultimii 10-15 ani, companiile cu finanțare privată s-au alăturat, de asemenea, efortului, în special în căutarea unor tori compacte și descoperiri cu câmp redus. Progresul vine și va aduce cu sine energie abundentă, curată și sigură.

Despre autor

Stewart Prager, profesor de științe astrofizice, fost director al Laboratorului de fizică plasmatică Princeton, Princeton University și Michael C. Zarnstorff, director adjunct pentru cercetare, Laboratorul de fizică plasmatică Princeton, Princeton University

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.

[Nota editorului: Iată un mesaj de avertizare referitoare la energia de fuziune.]

Cărți asemănătoare:

at InnerSelf Market și Amazon