Время перехода и потенциал для энергии плавления

На протяжении веков люди мечтали о использование силы солнца чтобы активизировать нашу жизнь здесь, на Земле. Но мы хотим выйти за рамки сбора солнечной энергии, и в один прекрасный день получим свое собственное от мини-солнца. Если мы сможем решить чрезвычайно сложный набор научных и технических проблем, энергия слияния обещает зеленый, безопасный, неограниченный источник энергии, От простого один килограмм дейтерия, извлеченного из воды в день может принести достаточное количество электроэнергии для питания сотен тысяч домов.

Поскольку 1950s, научные и инженерные исследования породил огромный прогресс к тому, чтобы заставить атомы водорода сплавиться вместе в самоподдерживающейся реакции, а также небольшая, но очевидная сумма энергии плавления. Скептики и сторонники обратите внимание на две наиболее важные оставшиеся проблемы: поддержание реакций в течение длительных периодов времени и разработка материальной структуры для использования мощности синтеза энергии.

Как исследователи слияния на Лаборатория физики плазмы Принстона, мы знаем, что на самом деле первая коммерческая термоядерная электростанция по-прежнему остается на 25 лет. Но потенциал для его негабаритных преимуществ, которые должны прийти во второй половине этого столетия, означает, что мы должны продолжать работать. Основные демонстрации осуществимости фьюжн могут быть достигнуты ранее - и должны, чтобы сила плавления могла быть включена в планирование нашего энергетического будущего.

В отличие от других видов электрической генерации, таких как солнечная энергия, природный газ и ядерное деление, слияние невозможно разработать в миниатюре, а затем просто увеличить. Экспериментальные этапы являются большими и требуют времени для создания. Но проблема обильной чистой энергии будет главный призыв к человечеству для следующего столетия и далее. Было бы безрассудно не использовать полностью самые перспективные источники энергии.

Почему сила слияния?

При слиянии два ядра атома водорода (изотопы дейтерия и трития) сливаться вместе, Это относительно сложно сделать: оба ядра положительно заряжены и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Только если они двигаются очень быстро, когда они сталкиваются, они разбегаются вместе, сливаются и тем самым освобождают энергию, которой мы подвергаемся.


графика подписки внутри себя


Это естественно происходит на солнце. Здесь, на Земле, мы используем мощные магниты для содержания чрезвычайно горячего газа электрически заряженных ядер дейтерия и трития и электронов. Этот горячий, заряженный газ называется плазмой.

Плазма настолько горячая - более 100 миллионов градусов Цельсия - что положительно заряженные ядра движутся достаточно быстро, чтобы преодолеть свое электрическое отталкивание и плавкий предохранитель. Когда ядра сливаются, они образуют две энергетические частицы - альфа-частицу (ядро атома гелия) и нейтрон.

Нагревание плазмы до такой высокой температуры требует большого количества энергии, которое должно быть введено в реактор до начала плавления. Но как только он начнет развиваться, у слияния есть потенциал для создания достаточной энергии для поддержания собственной жары, что позволяет нам сбрасывать избыток тепла, чтобы превратиться в полезное электричество.

Топливо для термоядерной энергии в изобилии. Дейтерий обилен в воде, и сам реактор может сделать тритий из лития, И он доступен для всех стран, в основном независимых от местных природных ресурсов.

Мощность Fusion чистая. Он не выделяет парниковых газов и производит только гелий и нейтрон.

Это безопасно. Там есть нет возможности для беглой реакции, как «распад» ядерного деления. Скорее, если есть какая-либо неисправность, плазма охлаждается, и реакции синтеза прекращаются.

Все эти атрибуты мотивировали исследования на протяжении десятилетий и со временем стали еще более привлекательными. Но положительные результаты соответствуют значительной научной проблеме слияния.

Прогресс на сегодняшний день

Прогресс в слиянии можно измерить двумя способами. Первый - это огромный прогресс в базовом понимании высокотемпературной плазмы. Ученым пришлось разработать новую физическую область - физика плазмы - задумать методы ограничения плазмы в сильных магнитных полях, а затем развить способности нагревать, стабилизировать, контролировать турбулентность и измерять свойства сверхшуртовой плазмы.

Связанная с этим технология также значительно продвинулась вперед. У нас есть подтолкнули границы к магнитам, а также источники электромагнитных волн и пучки частиц для содержать и нагревать плазму, Мы также разработали методы, чтобы материалы могут выдерживать интенсивное нагревание плазмы в современных экспериментах.

Легко передать практические метрики, которые отслеживают движение Fusion к коммерциализации. Главным среди них является мощность термоядерного синтеза, которая генерируется в лаборатории: мощность термоядерного синтеза возросла с милливатт за микросекунды в 1970 до мегаватт 10 от мощности термоядерного синтеза (в Лаборатории физики плазмы в Принстоне) и 16 мегаватты в течение одной секунды (на Объединенном Европейском Торе в Англии) в 1990.

Новая глава исследования

В настоящее время международное научное сообщество работает в единстве, чтобы построить крупный исследовательский центр по термоядерному синтезу во Франции. Называется ИТЭР (Латынь для «пути»), этот завод будет генерировать около мегаватт 500 мощности термоядерного синтеза в течение примерно восьми минут за раз. Если бы эта власть была преобразована в электричество, она могла бы работать в домах 150,000. В качестве эксперимента он позволит нам проверить ключевые научные и технические проблемы при подготовке к термоядерным электростанциям, которые будут функционировать непрерывно.

ИТЭР использует дизайн, известный как «токамак, "Первоначально русский акроним. Он включает в себя понтообразную плазму, ограниченную очень сильным магнитным полем, которая частично создается электрическим током, который течет в самой плазме.

Хотя он разработан как исследовательский проект и не предназначен для создания чистого производителя электрической энергии, ИТЭР будет производить 10 раз больше энергии синтеза, чем мегаватты 50, необходимые для нагрева плазмы. Это огромный научный шаг, создающий первый "горящая плазма, В котором большая часть энергии, используемой для нагрева плазмы, исходит из самой реакции синтеза.

ИТЭР поддерживается правительства, представляющие половину населения мира: Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Россия, Южная Корея и США. Это сильное международное заявление о необходимости и обещании энергии слияния.

Дорога вперед

Отсюда оставшийся путь к мощности слияния имеет два компонента. Во-первых, мы должны продолжить изучение токамака. Это означает развитие физики и техники, чтобы мы могли поддерживать плазму в устойчивом состоянии в течение нескольких месяцев. Нам нужно будет разработать материалы, которые могут выдерживать теплоту, равную одной пятой теплового потока на поверхности Солнца в течение длительного времени. И мы должны разработать материалы, которые будут покрывать ядро ​​реактора для поглощения нейтронов и размножения трития.

Второй компонент на пути к слиянию - это разработка идей, повышающих привлекательность фьюжн. Четыре таких идеи:

1) Используя компьютеры, оптимизируйте конструкции термоядерных реакторов в рамках ограничений физики и техники. Помимо того, что люди могут вычислить, эти оптимизированные конструкции производят скрученные формы пончика которые являются очень стабильными и могут работать автоматически в течение нескольких месяцев подряд. Их называют «стеллараторами» в бизнесе фьюжн.

2) Разработка новых высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, которые могут быть более сильными и меньшими, чем лучший сегодня, Это позволит нам построить более мелкие и, вероятно, более дешевые термоядерные реакторы.

3) Использование жидкого металла, а не твердого вещества, в качестве материала, окружающего плазму. Жидкие металлы не ломаются, предлагая возможное решение огромной проблемы, как окружающий материал может вести себя, когда он контактирует с плазмой.

4) Строительные системы, содержащие планету в форме пончика с нет отверстия в центре, образуя плазменная форма почти похожа на сферу, Некоторые из этих подходов могут также функционировать с более слабым магнитным полем. Эти "компактные торы»И« низкопольные »подходы также дают возможность уменьшить размер и стоимость.

Финансируемые правительством исследовательские программы во всем мире работают над элементами обоих компонентов - и приведут к выводам, которые принесут пользу всем подходам к энергии синтеза (а также нашему пониманию плазмы в космосе и промышленности). В прошлом 10 до 15 лет, компании, финансируемые из частных источников, также присоединились к, особенно в поисках компактных торов и прорывов с низким полем. Прогресс идет, и он принесет с собой богатую, чистую и безопасную энергию.

Беседа

Об авторе

Стюарт Прагер, профессор астрофизической науки, бывший директор Принстонской лаборатории плазменной физики, Принстонский университет и Майкл К. Зарнсторфф, заместитель директора по исследованиям, Принстонская лаборатория плазменной физики, Принстонский университет

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

[Примечание редактора: предостерегающее сообщение относительно энергии плавления.]

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon