Dünyada nükleer füzyon nedir – ve onu ne zaman kullanacağız?

Nükleer füzyon haberlere geri döndü. Bu hafta, ABD Enerji Bakanlığı füzyon enerjisi araştırmalarında “önemli bir bilimsel buluş” olarak adlandırdığı şeyi duyurdu: ilk kezfüzyon deneyi, reaksiyonu başlatmak için kullanılan enerjiden daha fazla enerji üretmişti. Füzyon ilerlemesini ilk kez duymuyoruz. Genellikle nükleer füzyondan ihtiyaç duyacağımız tüm temiz enerjiyi üretmeye her zamankinden daha yakın olduğumuzu ima eden irili ufaklı atılımları öne çıkaran onlarca yıllık manşetler var.

Alınacak çok şey var, bu yüzden Sınır bazı uzmanların yardımıyla bu füzyon gücü kılavuzunu bir araya getirin. Aşağıda özetledik bilim adamlarının füzyon hayalleri ve teknolojinin karşı karşıya olduğu acı gerçekler bilimsel hırstan ticari gerçekliğe füzyonun gücünü getirmek.

Nükleer füzyon, yüzyılın büyük bir bölümünde yakalanması zor bir enerji rüyası olmuştur. Teorik olarak, kulağa basit geliyor. Güneşimiz de dahil olmak üzere yıldızlar, atomların yüksek sıcaklık ve basınçlarda birbirine kaynaştığı füzyon adı verilen bir süreçle kendi enerjilerini yaratırlar. daha ağır bir atom yaratmak için Tipik olarak, bu hidrojen atomlarını içerir birleşerek helyum oluşturur. Reaksiyon bir ton enerji açığa çıkarır, bu yüzden Dünya’daki bilim adamları bunu kontrollü bir şekilde kopyalamak isterler. (Daha önce kontrolsüz bir şekilde yapmayı başardılar. Adı hidrojen bombası.)

Bugün sahip olduğumuz nükleer santraller elektrik enerjisi üretiyor. fisyon, bu füzyonun bir nevi zıttıdır. Fisyon, atomları birleştirmek yerine parçalara ayırarak enerji açığa çıkarır.

Teorik olarak, insanlar nükleer füzyonun kontrollü bir şekilde nasıl gerçekleştirileceğini bulduktan sonra, olasılıklar sonsuzdur. Hidrojen, evrendeki en basit ve en bol bulunan elementtir. Örneğin deniz suyundan elde edebilirsiniz. Ve bunu yaparsanız, bir galon deniz suyu, 300 galon benzin kadar enerji üretebilir. Enerji Bakanlığı’na göre.

Bugünün nükleer reaktörlerinde fisyon sayesinde temizlenmesi gereken büyük bir karmaşa var. ağır bölerek atomlar, fizyon geride bırakır Radyoaktif atık. Milyonlarca yıl boyunca bu nükleer atıkla ne yapılacağı, ABD’nin hala çözemediği çevresel bir kabus.

Fusion’da bu sorunlar yok. Füzyonla, yeni atomlar inşa ediyorsunuz – genellikle balonlarda olduğu gibi helyum. BT sera gazı emisyonu oluşturmaz. Dahası, bu, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile hala bir sorun olan hava durumuna bağlı olmayan, potansiyel olarak sınırsız bir enerji kaynağıdır.

Görünüşe göre, bir yıldızı laboratuvarda yeniden yaratmak gerçekten zor. Füzyonu tetiklemek için muazzam miktarda basınç ve ısıya ihtiyacınız var. Güneş’in kalbindeki ortam doğal olarak füzyonun gerçekleşmesi için gereken aşırı basıncı sağlar. Burada Dünya’da, bilim adamlarının ortalıkta öylece duran bu tür bir baskıları yok ve sıcaklıklara bile ulaşmaları gerekiyor. güneşten daha sıcak Aynı tepkiyi almak için. Tarihsel olarak, bu, bilim adamlarının bir laboratuvarda füzyon yoluyla gerçekten üretebildiğinden daha fazla enerji aldı.

Bu aynı zamanda olağanüstü miktarda para ve son derece uzmanlaşmış teknoloji gerektirir. Tüm bunları göz önünde bulundurarak, herhangi bir bilimsel ilerleme kaydetmeyi başarmış olmamız inanılmaz. Aslında onu ticarileştirmek mi? Bu, birazdan konuşacağımız başka bir yığın sorun var.

5 Aralık Pazartesi günü saat 01:03’te Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar Dünya’da ilk kez “füzyon ateşlemesi” gerçekleştirdiler.

Beyaz Saray Bilim ve Teknoloji Ofisi Direktörü Arati Prabhakar, basit bir ifadeyle, “Bir yakıt peletine bir demet lazer gönderdiler ve bu füzyon ateşlemesinden, giren lazerlerin enerjisinden daha fazla enerji açığa çıktı” dedi. basın toplantısı 13 Aralık’ta başarıyı duyuruyor.

Spesifik olarak, deney, füzyon reaksiyonunu tetiklemek için kullanılan lazerlerin 2,05 megajul ile karşılaştırıldığında 3,15 megajul enerji verdi. Bu, enerjide yaklaşık 1,5 kazanç demektir. Mütevazı, ancak net bir enerji kazancı elde etmek yine de füzyon araştırmaları için önemli bir ilkti.

Araştırmacılar, dünyanın en büyük ve en yüksek enerjili lazer sistemini kullandılar. Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF). NIF, tek bir hedefe 192 güçlü lazer ışını atabilen üç futbol sahası büyüklüğündedir. Füzyon ateşlemesine ulaşmak için, bu 192 lazer ışınından gelen enerji, kabaca karabiber büyüklüğünde ve bir aynadan 100 kat daha pürüzsüz olan bir elmas kapsül içindeki yakıtı sıkıştırır. Kapsül, bazıları enerji üretmek için “kaynaşan” hidrojen izotoplarını tutar. Sonuç olarak, bu yakıtın yaklaşık yüzde 4’ü enerjiye dönüştürüldü.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda Hedef Üretim Programı yöneticisi Michael Stadermann, 13 Aralık’ta düzenlediği basın toplantısında, “Yakıt kapsülü, elmastan yapılmış ve olabildiğince mükemmel olması gereken BB nokta büyüklüğünde bir kabuktur” dedi. “Tahmin edebileceğiniz gibi, mükemmellik gerçekten zor ve bu yüzden henüz o noktaya gelmedik – kabuklarımızda hala bakterilerden daha küçük küçük kusurlar var.”

Simetri, hem hedef hem de onun patlaması söz konusu olduğunda ateşlemenin sağlanmasında büyük bir rol oynar. Lazerlerin düzgün bir şekilde hizalanması gerekir ve hedef söz konusu olduğunda, hedefinizi yoğun basınç ve ısı ile patlatırken mükemmele yakın simetriyi korumanız gerekir. Uzmanlar, mükemmel bir küresel şekli korurken, bir basketbol topunu bezelye boyutuna sıkıştırmak gibi olduğunu söylüyor. Bu şekilden saparsanız çok fazla kinetik enerji harcarsınız ve tutuşmazsınız.

Uzun bir atışla değil. Laboratuvar “ateşleme”yi gerçekleştirirken, başarılarını yalnızca lazerin çıkışına odaklanan sınırlı bir “net enerji kazancı” tanımına dayandırdılar. Lazerler hedeflerine 2,05 megajoule enerji gönderirken, bunu yapmak şebekeden 300 megajoule kadar büyük bir enerji tüketti. Bunu hesaba katarsak, bu deneyde hala çok fazla enerji kaybedildi.

Sonunda bir füzyon enerji santraline sahip olmak için, 1,5 net enerji kazancından çok, çok daha büyük bir kazanç elde etmeniz gerekir. Bunun yerine 50’den 100’e kadar bir kazanca ihtiyacınız olacak.

yapacak çok iş var. Araştırmacılar, bu mükemmel simetrik küreyi hedefleyerek sürekli olarak daha kesin hedefler oluşturmaya çalışıyorlar. Bu inanılmaz derecede emek yoğun. Öyle ki, Chicago Üniversitesi’nden teorik fizikçi Robert Rosner’a göre, bugün tek bir pelet hedefi yaklaşık 100.000 dolara mal olabilir. Rosner daha önce NIF’in Dış Danışma Komitesinde görev yaptı. Rosner, nükleer füzyonun ticarileşmesi için pelet başına maliyetin birkaç kuruşa düşmesi gerektiğini çünkü bir füzyon reaktörünün günde bir milyon pelete ihtiyaç duyabileceğini söylüyor.

Ve lazerleri kullanarak tekrar ateşlemeye ulaşmak istiyorsanız, daha verimli ve çok daha hızlı çalışabilen bir kuruluma ihtiyacınız olacak. NIF, güçlü olduğu kadar 1980’lerin lazer teknolojisine dayanmaktadır. Bugün daha gelişmiş lazerler var, ancak Ulusal Ateşleme Tesisi bir dev – inşaatı 1997’de başladı ve operasyonel değildi 2009’a kadar. Bugün, NIF lazerini her dört ila sekiz saatte bir vurabilir. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı plazma fizikçisi Tammy Ma’ya göre, gelecekteki bir füzyon santralinin saniyede 10 kez ateş etmesi gerekecek.

“Bu bir ateşleme kapsülü, bir seferlik. Ticari füzyon enerjisini gerçekleştirmek için birçok şey yapmanız gerekir; Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı direktörü Kim Budil, basın toplantısında, dakikada çok, çok sayıda füzyon ateşleme olayı üretebilmelisiniz, dedi. “Sadece bilimde değil, teknolojide de çok önemli engeller var.”

Evet, ateşlemeyi tetiklemek için kullanılan tek strateji kesinlikle lazerler değil. Diğer ana strateji, plazma yakıtını sınırlamak için manyetik alanları kullanmaktır. tokamak. Bir tokamak, NIF’den çok daha ucuza inşa edilebilir. Özel şirketler bile tokamak üretti, bu nedenle bu alanda daha yaygın araştırmalar yapıldı.

Bir tokamak henüz tutuşmaya ulaşmadı. Ancak kullandığı mıknatıslar, bir füzyon reaksiyonunu daha uzun süre sürdürme potansiyeline sahiptir. (NIF’de, füzyon reaksiyonları bir nanosaniyenin kesri içinde gerçekleşir.) Sonuç olarak, her iki araştırma dalındaki atılımlar, füzyon gücünü daha yakına getirmeye yardımcı olabilir.

Queen’s University Belfast’ta fizik profesörü olan Gianluca Sarri, “Tepenin zirvesine ulaştık,” diyor. Sınır. Füzyon gücü araştırmalarında ateşlemeyi gerçekleştirmenin esasen “en zor adım” olduğunu ve daha gidilecek çok yol olsa bile buradan esasen “yokuş aşağı” olduğunu söylüyor.

Bununla birlikte, ateşlemeye ulaşmak, enerji sistemimiz için pratik uygulamalardan çok bilimsel bir buluştur – en azından uzun yıllar boyunca.

Bununla birlikte, nükleer savunma ve nükleer silahların yayılmasının önlenmesi söz konusu olduğunda, ateşlemeye ulaşmanın daha hızlı bir etkisi olabilir.

NIF başlangıçta, ABD’nin nükleer silah stokunu hiçbirini havaya uçurmak zorunda kalmadan sürdürmesine yardımcı olacak deneyler yapmak için geliştirildi. bu 1996 Kapsamlı Nükleer Test Yasağı Anlaşması Dünya üzerindeki tüm nükleer patlamaları yasakladı, yer altı test patlamalarına son verdi. NIF ertesi yıl çığır açtı. Sonunda 5 Aralık deneyinde başardığı nükleer ateşleme, esasen bir nükleer bomba patladığında meydana gelen kontrolsüz füzyonu taklit ediyor. Bir laboratuvarda kontrollü bir şekilde ateşlemeye ulaşmanın, araştırmacıların canlı test patlamalarının yerini almak için geliştirdikleri bilgisayar modellerini doğrulamalarına izin vermesi umut ediliyor.

En iyimser uzmanlar Sınır On yıl içinde ilk füzyon enerji santraline sahip olabileceğimizi ummak için konuştu. Ancak çoğu uzman, füzyon gücünün geleceği konusunda hala heyecanlı olsa da, muhtemelen hala birkaç on yıl uzakta olduğumuzu düşünüyor.

Ne kadar sürerse sürsün, füzyon gücünün enerji sistemimizden kaynaklanan kirliliği temizlemesi için on yıl veya daha fazla bekleyemeyiz. Küresel ısınmanın, insanlığın uyum sağlamakta zorlanacağı bir noktaya ulaşmasını engellemek, Araştırma dünyanın sera gazı emisyonlarını 2050 yılına kadar net sıfıra indirmesi gerektiğini gösteriyor. 2030 yılına kadar fosil yakıtlardan kaynaklanan karbondioksit emisyonlarının kabaca yarıya indirilmesi gerekiyor. Bu, füzyon araştırmalarının şimdiye kadar başarabildiğinden çok daha hızlı gerçek dünya ilerlemesidir.