Co to jest synteza jądrowa i co powinieneś wiedzieć o tym postępie naukowym

(CNN) – Po raz pierwszy w historii amerykańskim naukowcom z National Ignition Facility w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii udało się wyprodukować Reakcja syntezy jądrowej Spowodowało to wzrost energii netto, co potwierdziło CNN źródło zaznajomione z projektem.

Oczekuje się, że Departament Energii USA oficjalnie ogłosi naruszenie we wtorek.

Wynik eksperymentu będzie ważnym krokiem w trwającym od dziesięcioleci dążeniu do odblokowania nieskończonego źródła czystej energii, która może pomóc zakończyć zależność od paliw kopalnych. Przez dziesięciolecia naukowcy próbowali odtworzyć syntezę jądrową, replikację energii, która napędza słońce.

Oto, co musisz wiedzieć o tej nowej formie energii jądrowej, która może w końcu zasilić światła w Twoim domu.

Co to jest synteza jądrowa i dlaczego jest ważna?

Fuzja jądrowa to proces wywołany przez człowieka, który powiela tę samą energię, która zasila słońce. Fuzja jądrowa ma miejsce, gdy dwa lub więcej atomów łączy się w jeden większy atom, proces, który generuje dużą ilość energii w postaci ciepła.

Naukowcy z całego świata od dziesięcioleci badają syntezę jądrową, mając nadzieję na odtworzenie jej za pomocą nowego źródła, które zapewni nieograniczoną, wolną od węgla energię, bez odpadów nuklearnych generowanych przez dzisiejsze reaktory jądrowe. Projekty syntezy jądrowej wykorzystują przede wszystkim pierwiastki deuter i tryt, które są izotopami wodoru.

Filiżanka deuteru z odrobiną trytu może zasilić dom przez rok. Tryt jest znacznie rzadszy i trudniejszy do zdobycia, chociaż można go wytworzyć syntetycznie.

„W przeciwieństwie do węgla, potrzebujesz tylko niewielkiej ilości wodoru, który jest największą rzeczą we wszechświecie” – powiedział CNN Julio Friedman, główny naukowiec w Carbon Direct i były szef technologii energetycznej w Lawrence Livermore. „Wodór znajduje się w wodzie, więc rzeczy, które generują tę energię, są nieograniczone i czyste”.

Czym różni się synteza jądrowa od rozszczepienia jądrowego?

Kiedy ludzie myślą o energii jądrowej, przychodzą na myśl wieże chłodnicze i grzyby. Ale fuzja jest zupełnie inna.

Podczas gdy fuzja łączy ze sobą dwa lub więcej atomów, rozszczepienie jest odwrotne; Jest to proces rozdzielania większego atomu na dwa lub mniejsze atomy. Rozszczepienie jądrowe to rodzaj energii, który zasila obecnie reaktory jądrowe na całym świecie. Podobnie jak synteza jądrowa, ciepło z podziału atomów jest również wykorzystywane do wytwarzania energii.

Według Departamentu Energii energia jądrowa jest źródłem energii o zerowej emisji. Wytwarzają jednak lotne odpady radioaktywne, które muszą być bezpiecznie przechowywane i niosą ze sobą ryzyko dla bezpieczeństwa. Katastrofy nuklearne, choć rzadkie, zdarzały się w historii z dalekosiężnymi i śmiertelnymi skutkami, jak w przypadku reaktorów jądrowych. Fukushima Czarnobyl.

Fuzja jądrowa nie wiąże się z takim samym ryzykiem dla bezpieczeństwa, a materiały użyte do jej napędzania mają znacznie krótszy okres półtrwania niż rozszczepienie.

W jaki sposób energia syntezy jądrowej może wreszcie włączyć światła w twoim domu?

Istnieją dwa główne sposoby generowania syntezy jądrowej, ale oba mają ten sam wynik. Fuzja dwóch atomów wytwarza ogromną ilość ciepła, która jest kluczem do produkcji energii. Ciepło to można wykorzystać do podgrzewania wody, wytwarzania pary i obracania turbin w celu wytwarzania energii, podobnie jak rozszczepienie jądrowe generuje energię.

Dużym wyzwaniem w wykorzystaniu energii termojądrowej jest utrzymanie jej wystarczająco długo, aby zasilić sieci elektryczne i systemy grzewcze na całym świecie. Udany przełom w USA jest znaczący, ale wciąż na znacznie mniejszą skalę niż potrzeba do wytworzenia energii wystarczającej do zasilenia pojedynczej elektrowni, nie mówiąc już o dziesiątkach tysięcy elektrowni.

„Tyle mniej więcej potrzeba do zagotowania 10 czajników wody” – powiedział Jeremy Chittenden, współdyrektor Centre for the Study of Inertial Fusion w Imperial College London. „Aby przekształcić to w elektrownię, musimy uzyskać większy przyrost mocy i musimy znacznie zwiększyć”.

Dlaczego nadchodzące ogłoszenie Departamentu Energii o reakcji syntezy jądrowej skutkuje tak znaczącym zyskiem netto?

Po raz pierwszy naukowcom udało się wytworzyć reakcję syntezy jądrowej, która skutkuje zyskiem energii netto, a nie osiągnięciem równowagi, jak to miało miejsce w poprzednich eksperymentach.

Chociaż istnieje wiele kroków, aby stało się to opłacalne komercyjnie, naukowcy muszą wykazać, że mogą wyprodukować więcej energii niż na początku. Inaczej nie ma sensu go rozwijać.

„Jest to bardzo ważne, ponieważ z punktu widzenia energii nie możesz być źródłem energii, jeśli nie otrzymujesz więcej energii niż przyjmujesz” – powiedział Friedman w CNN. „Osiągnięcia w przeszłości były ważne, ale nie jest tak, że pewnego dnia wytwarzanie energii może być wykorzystywane na większą skalę”.

Gdzie odbywa się fuzja?

Istnieje wiele projektów fuzji w USA, Wielkiej Brytanii i Europie. Francja jest gospodarzem międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego, w ramach którego współpracuje 35 krajów, w tym główni członkowie: Chiny, Stany Zjednoczone, Unia Europejska, Rosja, Indie, Japonia i Korea Południowa.

W Stanach Zjednoczonych większość prac jest wykonywana w National Ignition Facility Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, w budynku wielkości trzech boisk piłkarskich.

Projekt National Ignition Facility wytwarza energię z syntezy jądrowej poprzez tak zwaną „fuzję termoinercyjną”. W praktyce amerykańscy naukowcy wystrzeliwują małą kulę zawierającą paliwo wodorowe w układ prawie 200 laserów, zasadniczo wywołując serię bardzo szybko powtarzających się eksplozji z szybkością 50 razy na sekundę. Energia zebrana z neutronów i cząstek alfa jest wydobywana w postaci ciepła.

W Wielkiej Brytanii iw ramach projektu ITER we Francji naukowcy pracują z ogromnymi maszynami w kształcie pączków wyposażonymi w gigantyczne magnesy zwane tokamakami, próbując uzyskać ten sam rezultat. Po napełnieniu tokamaka jego magnesy zapalają się, a temperatura wewnątrz rośnie wykładniczo, tworząc plazmę.

Plazma musi osiągnąć co najmniej 150 milionów stopni Celsjusza, dziesięć razy więcej niż temperatura jądra Słońca, wtedy neutrony uciekają z plazmy, uderzają w „koc” wyściełający ściany tokamaka i przekazują swoją energię kinetyczną w forma ciepła.

Jakie są kolejne kroki?

Naukowcy i eksperci muszą teraz dowiedzieć się, jak wytwarzać więcej energii z syntezy jądrowej na znacznie większą skalę.

Jednocześnie muszą dowiedzieć się, jak ostatecznie obniżyć koszty syntezy jądrowej, aby można ją było wykorzystać komercyjnie.

„W tej chwili poświęcamy ogromną ilość czasu i pieniędzy na każdy przeprowadzany przez nas eksperyment” – powiedział Chittenden. „Musimy znacznie obniżyć koszty”.

Naukowcy będą również musieli zebrać energię z syntezy jądrowej i przesłać ją do sieci energetycznej w postaci energii elektrycznej. Upłyną lata, a może dziesięciolecia, zanim fuzja wytworzy nieograniczone ilości czystej energii, a naukowcy będą ścigać się z czasem, aby walczyć ze zmianami klimatycznymi.

„Nie przyczyni się znacząco do łagodzenia klimatu w ciągu najbliższych 20 do 30 lat” – powiedział Friedman. „To jest różnica między zapalaniem zapałki a budowaniem turbiny gazowej”.