زمان گذار و توان بالقوه برای انرژی فیوژن

زمان گذار و توان بالقوه برای انرژی فیوژن

برای قرن ها، انسان ها از رویای خویش بوده اند بهره برداری از انرژی خورشید زندگی خود را در اینجا بر روی زمین تقویت کنیم. اما ما می خواهیم فراتر از جمع آوری انرژی خورشیدی برویم و یک روز از خورشید کوچک تولید کنیم. اگر ما قادر به حل یک مجموعه بسیار پیچیده از مشکلات علمی و مهندسی، انرژی فیوژن وعده داده است سبز، امن، منبع نامحدود انرژی. از فقط یک کیلوگرم دایتریم از آب در روز به دست می آید می تواند برق کافی برای قدرت صدها هزار خانه ایجاد کند.

از آنجا که 1950s، پژوهش علمی و مهندسی است پیشرفت عظیمی ایجاد کرد به سوی اعمال اتمهای هیدروژن به یکدیگر با هم در یک واکنش خودمحور - و همچنین به عنوان یک مقدار کوچک اما قابل اثبات انرژی فیوژن. اسکپتیک و طرفداران به طور یکسان توجه به دو مهمترین چالش باقیمانده: حفظ واکنش ها در طی مدت زمان طولانی و ایجاد یک ساختار مادی برای مهار قدرت همجوشی برای برق.

به عنوان محققان همجوشی در پرینستون آزمایشگاه فیزیک پلاسما، ما می دانیم که در واقع، اولین نیروگاه اتمی تجاری هنوز حداقل 25 سال است. اما پتانسیل مزایای بی نظیر آن برای رسیدن به نیمه دوم قرن حاضر به این معنی است که ما باید کار را ادامه دهیم. تظاهرات عمده از امکان پذیر شدن فیوژن را می توان قبل از آن انجام داد - و باید، به طوری که قدرت فیوژن را می توان در برنامه ریزی برای آینده انرژی ما گنجانیده شده است.

بر خلاف دیگر انواع تولید برق، مانند خورشید، گاز طبیعی و تقسیم هسته، فیوژن نمی تواند در مینیاتوری توسعه یابد و سپس به سادگی افزایش یابد. مراحل آزمایشی بزرگ هستند و برای ساختن وقت لازم است. اما مشکل انرژی فراوان، پاکیزه خواهد بود خواست بزرگ برای بشریت برای قرن بعدی و فراتر از آن. این بی احتیاطی است که به طور کامل این امیدوار کننده ترین منابع انرژی را به کار گیریم.

چرا فیوژن قدرت؟

در همجوشی، دو هسته اتم هیدروژن (ایزوتوپ های دوتیم و تریتیوم) با هم مخلوط کن. این نسبتا دشوار است: هر دو هسته به طور مثبت شارژ می شوند و بنابراین یکدیگر را دفع می کنند. فقط در صورتی که آنها در هنگام برخورد با سرعت بسیار زیاد حرکت می کنند با یکدیگر سر و کار دارند، فیوز و در نتیجه انرژی که ما بعد از آن آزاد می کنیم را آزاد می کنیم.

این به طور طبیعی در خورشید رخ می دهد. در اینجا بر روی زمین از آهنرباهای قوی استفاده می کنیم تا حاوی گاز بسیار گرم از هسته های الکتریکی و اتم های دوتیم و الکتریکی باشد. این گاز داغ داغ، پلاسما نامیده می شود.

پلاسما بسیار داغ است - بیش از 100 میلیون درجه سانتیگراد - که هسته های بارگذاری شده به سرعت به اندازه کافی برای غلبه بر انفجار الکتریکی و فیوز حرکت می کنند. هنگامی که فیوز هسته، آنها دو ذره پر انرژی تشکیل می دهند - ذره ای آلفا (هسته اتم هلیوم) و یک نوترون.

گرمایش پلاسما به دمای بالا مقدار زیادی از انرژی را دریافت می کند که باید قبل از تلف شدن، شروع به رآکتور شود. اما پس از آن، فیوژن پتانسیل تولید انرژی کافی برای حفظ گرما خود را دارد، که ما را قادر می سازد تا گرمای بیش از حد را تبدیل به برق قابل استفاده شود.

سوخت برای قدرت همجوشی در طبیعت فراوان است. دوتریوم در آب فراوان است و خود راکتور می تواند تریتیوم را از لیتیوم تولید کنید. و این در دسترس همه ملل است، که اکثرا مستقل از منابع طبیعی محلی است.

قدرت فیوژن پاک است. این هیچ گازهای گلخانه ای تولید نمی کند و فقط هلیوم و نوترون تولید می کند.

امن است. وجود دارد هیچ واکنشی فرار نمی کند، مانند "شکسته شدن" هسته ی شکنی. در عوض، اگر هیچ مشکلی وجود نداشته باشد، پلاسما سرد می شود و واکنش های فیوژن متوقف می شود.

تمام این ویژگی ها برای دهه ها تحریک شده اند و در طول زمان حتی جذاب تر شده اند. اما مثبت با چالش علمی قابل توجه همجوشی همخوانی دارد.

پیشرفت تا به امروز

پیشرفت در همجوشی می تواند به دو صورت اندازه گیری شود. اولین پیشرفت فوق العاده ای در درک پایه پلاسما با درجه حرارت بالا است. دانشمندان مجبور به توسعه زمینه جدیدی از فیزیک شدند - فیزیک پلاسما - درک روش هایی برای محدود کردن پلاسما در میدان های مغناطیسی قوی و سپس توانایی های حرارتی، تثبیت، کنترل آشفتگی و اندازه گیری خواص پراش سوپرچایت را توسعه می دهد.

فن آوری های مرتبط نیز به شدت پیشرفت کرده اند. ما داریم مرزها را در آهنرباهای تکان دادو منابع موج الکترومغناطیسی و پرتوهای ذرات به حاوی و پلاسمای گرمائی است. ما همچنین تکنیک ها را توسعه داده ایم مواد می توانند حرارت شدید را تحمل کنند از پلاسما در آزمایش های جاری.

آسان است که معیارهای عملی را دنبال کنید که مسیر تجاری فیوژن را برای تجاری سازی دنبال می کنند. یکی از مهمترین آنها قدرت همجوشی است که در آزمایشگاه تولید شده است: تولید نیروی فیوژن از میلیوات بر میلی ثانیه در 1970 به مگاوات 10 قدرت فیوژن (در آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون) و یک مگاوات 16 برای یک ثانیه (در اتحادیه اروپا Torus در انگلستان) در 1990s.

یک فصل جدید در تحقیق

اکنون جامعه علمی بین المللی برای ایجاد یک مرکز تحقیقاتی همجوشی گسترده در فرانسه تلاش می کند. فراخوانده شد ITER (لاتین برای "راه")، این گیاه حدود یک مگاوات 500 از قدرت فیوژن حرارتی را برای حدود هشت دقیقه در یک زمان تولید می کند. اگر این قدرت به برق تبدیل شود، می تواند در مورد خانه های 150,000 قدرت داشته باشد. به عنوان یک آزمایش، به ما اجازه می دهد که مسائل کلیدی علوم و مهندسی را در آماده سازی نیروگاه های همجوشی که به طور مداوم عمل می کنند، آزمایش کنند.

ITER طرح طراحی شده به نام "توکامک، "در اصل یک لغت روسی است. این شامل پلاسمای شکل دونده است که در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار دارد که بخشی از جریان الکتریکی است که در پلاسما جریان می یابد.

اگر چه این پروژه به عنوان یک پروژه تحقیقاتی طراحی شده و نه به عنوان یک تولید کننده خالص انرژی الکتریکی طراحی شده است، ITER 10 تولید انرژی بیشتری را نسبت به مگاوات 50 که نیاز به حرارت پلاسمای تولید می کند، تولید خواهد کرد. این یک گام بزرگ علمی است، ایجاد اولین "سوختن پلاسما، "که در آن اکثر انرژی مورد استفاده برای حرارت پلاسما از خود واکنش فیوژن است.

ITER توسط دولت هایی که نیمی از جمعیت جهان را تشکیل می دهند: چین، اتحادیه اروپا، هند، ژاپن، روسیه، کره جنوبی و ایالات متحده این بیانیه قوی بین المللی در مورد نیاز و وعده انرژی همجوشی است.

جاده رو به جلو

از این جا، مسیر باقی مانده به سوی قدرت همجوشی دو جزء دارد. اولا باید تحقیقاتی در مورد توکاماک انجام دهیم. این بدین معنی است که پیشرفت فیزیک و مهندسی را به طوری که ما می توانیم در یک زمان به طور مداوم پلاسما را در حالت پایدار حفظ کنیم. ما نیاز داریم موادی را تولید کنیم که بتواند یک درجه حرارت برابر با یک پنجم شار گرما را در سطح خورشید برای دوره های طولانی مقاومت کند. و ما باید موادی را ایجاد کنیم که هسته راکتور را جذب می کند تا نوترون ها را جذب کند و tritium را تولید کند.

مولفه دوم در مسیر همجوشی، ایجاد ایده هایی است که جذابیت فیوژن را افزایش می دهد. چهار چنین ایده ها عبارتند از:

1) با استفاده از رایانه ها، طراحی راکتورهای فیوژن را در محدودیت های فیزیک و مهندسی بهینه سازی کنید. فراتر از آنچه انسان ها می توانند محاسبه کنند، این طرح های بهینه سازی تولید می کنند شکلات دونات پیچ خورده که بسیار پایدار هستند و می توانند به صورت ماهانه در پایان کار کنند. آنها "ستلاراتور" در کسب و کار همجوشی نامیده می شوند.

2) توسعه آهنرباهای ابررسانایی با درجه حرارت بالا که می تواند قوی تر و کوچکتر از امروز بهترین است. این اجازه خواهد داد که ما راکتورهای کوچکتر و احتمالا ارزان تر تولید کنیم.

3) با استفاده از فلز مایع، به جای جامد، به عنوان مواد اطراف پلاسما. فلزات مایع شکسته نمی شوند، ارائه یک راه حل ممکن برای چالش عظیم چگونه مواد اطراف ممکن است رفتار آن را در تماس با پلاسما.

4) سیستم های ساختمان که حاوی پلاسما شکل دونده هستند بدون سوراخ در مرکز، تشکیل یک پلاسما تقریبا مانند کره شکل می گیرد. برخی از این روش ها همچنین می توانند با میدان مغناطیسی ضعیف تر عمل کنند. اینها "توری فشرده"و" روش های کم میدان "همچنین امکان کاهش اندازه و هزینه را ارائه می دهند.

برنامه های تحقیقاتی حمایت شده توسط دولت در سراسر جهان در حال کار بر روی عناصر هر دو جزء - و در نتیجه نتایجی که به همه روش ها برای انرژی همجوشی (و همچنین درک ما از پلاسما در کیهان و صنعت) به نفع خود است. در گذشته 10 به 15 سال شرکت های تامین شده خصوصی نیز به این تلاش پیوستند، به خصوص در جستجوی توری های جمع و جور و پیشرفت های کم میدان. پیشرفت در حال آمدن است و انرژی فراوانی، تمیز و ایمن را با آن به ارمغان می آورد.

گفتگو

درباره نویسنده

استوارت پرگر، استاد علوم ریاضی، مدیر سابق آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون دانشگاه پرینستون و مایکل C. Zarnstorff، معاون مدیر تحقیقات، آزمایشگاه فیزیک پلاسما در پریشتین، دانشگاه پرینستون

این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد گفتگو. دفعات بازدید: مقاله.

[یادداشت سردبیر: در اینجا یک است پیام احتیاطی در مورد انرژی همجوشی.]

کتاب های مرتبط:

{amazonWS: searchindex = کتابها؛ keywords = انرژی همجوشی؛ maxresults = 3}

enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

به دنبال InnerSelf در

فیس بوک، آیکونتوییتر آیکونrss-icon

دریافت آخرین با ایمیل

{emailcloak = خاموش}

بیشترین مطلب خوانده شده