Jak uczynić syntezę jądrową Świętym Graalem czystej energii?

Sposób, w jaki naukowcy myślą o syntezie termojądrowej, zmienił się na zawsze w 2022 r., kiedy to, co niektórzy nazywają eksperymentem stulecia, po raz pierwszy wykazało, że synteza termojądrowa może być realnym źródłem czystej energii.

Eksperyment przeprowadzony w Lawrence Livermore National Laboratory wykazał zapłon: .

Co więcej, ostatnie lata to okres kilkumiliardowych inwestycji prywatnych w tej dziedzinie, głównie w USA.

Jako inżynierowie, którzy od dziesięcioleci zajmowali się podstawowymi naukami i inżynierią stosowaną w syntezie jądrowej, byliśmy świadkami rozwoju wielu dziedzin nauki i fizyki syntezy jądrowej w ciągu ostatnich 10 lat.

Ale, jak , aby fuzja stała się realnym źródłem, istnieje obecnie cała seria wyzwania inżynieryjne które należy rozwiązać, zanim będzie można zwiększyć skalę syntezy jądrowej, aby stała się bezpiecznym i ekonomicznym źródłem praktycznie nieograniczonej czystej energii. Innymi słowy, nadszedł czas inżynierii.

Zbuduj reaktor termojądrowy

Fuzja zachodzi, gdy dwa rodzaje atomów wodoru, tj Deuterio i trytzderzają się w ekstremalnych warunkach.

Dwa atomy dosłownie łączą się w jeden atom, nagrzewając się do 180 milionów stopni Fahrenheita (100 milionów stopni Celsjusza), czyli 10 razy więcej niż jądro Słońca. Aby te reakcje mogły nastąpić, infrastruktura energii termojądrowej zachodzi będzie musiał wytrzymać te ekstremalne warunki.

Istnieją dwa podejścia do osiągnięcia fuzji w laboratorium:

• A inercyjna fuzja ograniczającaktóry wykorzystuje potężne lasery;
• ech fuzja w zamknięciu magnetycznymktóry wykorzystuje potężne magnesy.

Chociaż stosowano inercyjną syntezę termojądrową, nie wykazano jeszcze, że może ona przerwać produkcję energii.

Co pozostaje do zrobienia?

Obydwa wspomniane podejścia do syntezy jądrowej mają wiele wspólnych wyzwań, których pokonanie nie będzie łatwe.

Naukowcy muszą na przykład opracować nowe materiały odporne na ekstremalne temperatury i warunki napromieniowania.

Materiały reaktorów termojądrowych stają się również radioaktywne, gdy są bombardowane cząstkami o wysokiej energii. Naukowcy muszą projektować nowe materiały, które w ciągu kilku lat mogą rozpaść się do poziomu radioaktywności, który można bezpiecznie i łatwiej usunąć.

Wyprodukuj wystarczającą ilość paliwaa robienie tego w sposób zrównoważony, jest również ważnym wyzwaniem.

Po pierwsze, deuter występuje w dużych ilościach i można go ekstrahować ze zwykłej wody.

Jednakże, zwiększyć produkcję trytuktóry jest zwykle wytwarzany z litu, będzie znacznie trudniej. Pojedynczy reaktor termojądrowy będzie potrzebował do działania od setek gramów do kilograma trytu dziennie.

Obecnie konwencjonalne reaktory jądrowe wytwarzają tryt jako produkt uboczny rozszczepienia, ale nie może zapewnić wystarczającej ilości do obsługi floty reaktorów termojądrowych.

Inżynierowie będą zatem musieli opracować zdolność do produkcji trytu w samym urządzeniu termojądrowym. Może to obejmować otoczenie reaktora termojądrowego materiałem zawierającym lit, który w wyniku reakcji przekształci się w tryt.

Do zwiększyć skalę fuzji inercyjnejinżynierowie będą musieli opracować lasery zdolne do wielokrotnego uderzania w cel z paliwa termojądrowego, składający się z zamrożonego deuteru i trytu, kilka razy na sekundę.

Jednakże, żaden laser nie jest wystarczająco mocny zrobić to z taką prędkością – jeszcze. Inżynierowie będą również musieli opracować systemy sterowania i algorytmy, które naprowadzą te lasery z niezwykłą precyzją na cel.

Co więcej, inżynierowie będą musieli zwiększyć docelową produkcję w rzędach wielkości: od kilkuset wykonanych ręcznie każdego roku, których cena wynosi setki tysięcy euro za sztukę, do milionów kosztujących zaledwie kilka euro za sztukę.

Jeśli chodzi o zamknięcie magnetyczne, inżynierowie materiałowi będą musieli się opracować skuteczniejsze metody ogrzewania i kontrolowania plazmy oraz bardziej odporne na ciepło i promieniowanie materiały na ściany reaktorów.

Technologia zastosowana do podgrzewania i zamykania plazmy aż do stopienia atomów powinna działać niezawodnie przez lata.

To wszystko są wyzwania, które choć trudne, nie są nie do pokonania.

A potem finansowanie

Wzrosły inwestycje prywatnych firm na całym świecie – prawdopodobnie nadal będą ważnym czynnikiem postępu w badaniach nad syntezą termojądrową. W ciągu ostatnich pięciu lat prywatne przedsiębiorstwa przyciągnęły około 7 miliardów euro inwestycji prywatnych.

Kilka start-upów opracowuje różne technologie i projekty reaktorów, aby w nadchodzących dziesięcioleciach włączyć syntezę termojądrową do sieci energetycznej. Większość ma siedzibę w USA, a niektórzy w Europie i Azji.

To właśnie Departament Energii Stanów Zjednoczonych zainwestował w połowie pierwszej dekady XXI wieku około 3 miliardy dolarów w budowę National Ignition Facility w Lawrence Livermore National Laboratory, gdzie 12 lat później miał miejsce „eksperyment stulecia”.

W 2023 roku Departament Energii ogłosił czteroletni program o wartości 42 milionów dolarów mający na celu rozwój centrów syntezy jądrowej dla tej technologii. Choć finansowanie to jest ważne, prawdopodobnie nie wystarczy do rozwiązania najważniejszych wyzwań, jakie stoją przed Stanami Zjednoczonymi, aby mogły stać się światowym liderem w dziedzinie praktycznej energii termojądrowej.