_ Oamenii de știință explică: Ce este inerția energie de fuziune?

Fuziunea este un fenomen natural care oferă planetei noastre o mare parte din energia sa – generată la milioane de kilometri distanță în centrul soarelui nostru.

Aici, pe Pământ, oamenii de știință sunt încercând să reproducă condițiile fierbinți și dense care duc la fuziune. În centrul unei stele, presiunile gravitaționale și temperaturile ridicate – în jur de 200 de milioane de grade Fahrenheit – energiză și stoarce atomii suficient de apropiați pentru a-și fuziona nucleele și a genera exces de energie.

„Scopul final al cercetării fuziunii este pentru a reproduce un proces care are loc în stele tot timpul”, spune Arianna Gleason, om de știință la Laboratorul național de accelerație SLAC al Departamentului de Energie. „Doi atomi de lumină se reunesc și fuzionează pentru a forma un singur nucleu mai greu și mai stabil. Ca urmare, excesul de masă – un nucleu are o masă mai mică decât cei doi care l-au format – este convertit în energie și transportat.”

Acea masă rămasă (m) devine energie (E) datorită faimoasei ecuații E=mc2 a lui Einstein. Realizarea fuziunii pe Pământ este surprinzător de simplă și a fost realizată de multe ori în ultimele decenii folosind o gamă largă de dispozitive. Partea grea este de a face procesul să se auto-susțină, astfel încât un eveniment de fuziune să conducă următorul pentru a crea o „plasmă care arde” susținută, care ar putea genera în cele din urmă energie curată, sigură și abundentă pentru alimentarea rețelei electrice.

„Te poți gândi la asta ca la lovirea unui chibrit”, explică Alan Fry. director de proiect pentru Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade al SLAC (MEC-U). „Odată aprinsă, flacăra continuă să ardă. Pe Pământ trebuie să creăm condițiile potrivite – densitate și temperatură foarte ridicate – pentru ca procesul să se întâmple, iar una dintre modalitățile de a face asta este cu laserele.”

Introduceți energia de fuziune inerțială sau IFE, o abordare potențială pentru construirea unei centrale electrice comerciale de fuziune folosind combustibil de fuziune și lasere. IFE a obținut un sprijin național sporit, deoarece oamenii de știință de la Instituția Națională de Aprindere (NIF) a Laboratorului Național Lawrence Livermore (LLNL) au demonstrat în mod repetat reacții de fuziune care au produs un câștig net de energie pentru prima dată oriunde în lume.

" Cu fascicule laser intense, am obținut aprinderea, ceea ce înseamnă că am obținut mai multă energie dintr-o țintă de fuziune decât energia laser introdusă în ea”, a explicat Siegfried Glenzer, profesor de știință fotonică și director al diviziei de știință de înaltă densitate energetică a SLAC.

Fuziune inerțială: Cum funcționează

Tehnica utilizată la NIF, cunoscută sub numele de fuziune inerțială, este una dintre cele două idei principale care sunt explorate pentru crearea unei surse de energie de fuziune. Cealaltă, cunoscută sub denumirea de fuziune cu izolare magnetică, folosește câmpuri magnetice pentru a conține combustibil de fuziune sub formă de plasmă.

Cu fuziunea cu izolare inerțială, plasma este creată folosind lasere intense și o granulă mică umplută cu hidrogen - de obicei deuteriu și tritiu, izotopi cu unul și, respectiv, doi neutroni în nucleu. Peletul este înconjurat cu un material ușor care se vaporizează spre exterior atunci când este încălzit de lasere. Și atunci când se întâmplă, există o reacție netă în interior, care provoacă o implozie.

„Aceasta este în principiu o rachetă sferică”, explică Fry. „Prin ejectarea eșapamentului spre exterior, conduce racheta în direcția opusă. În acest caz, materialul vaporizat din exteriorul peletului împinge izotopii de hidrogen spre centru.”

Laserele trebuie aplicate. cu precizie pentru a obține o undă de șoc simetrică care se deplasează spre centrul amestecului de hidrogen - creând temperatura și densitatea necesare pentru a începe reacția de fuziune. Evenimentele de aprindere NIF folosesc 192 de fascicule laser pentru a crea această implozie și a determina fuziunea izotopilor.

„Tehnologia laserului și înțelegerea noastră a procesului de fuziune au avansat atât de rapid încât acum putem folosi limitarea laserului pentru a crea o plasmă arzând de la fiecare eveniment de fuziune”, a spus Gleason.

Dar mai este un drum lung de parcurs. Laserele folosite pentru energia de fuziune inerțială trebuie să poată declanșa mai rapid și să devină mai eficiente din punct de vedere electric, spun experții.

Laserele de la NIF sunt atât de mari și complexe încât pot declanșa doar de trei ori pe zi. Pentru a ajunge la o sursă de energie de fuziune inerțială, a spus Glenzer, „avem nevoie de lasere care să poată funcționa de 10 ori pe secundă. Așadar, trebuie să îmbinăm rezultatele fuziunii NIF cu tehnologii eficiente cu laser și țintă de combustibil.”

Fry folosește analogia unui piston dintr-un cilindru de mașină pentru a descrie modul în care reacțiile individuale de fuziune se adună pentru a genera putere susținută. „De fiecare dată când injectați combustibil și îl aprindeți, acesta se extinde și împinge pistonul în motorul dumneavoastră”, a spus el. „Pentru ca mașina să se miște, trebuie să o faci din nou și din nou la mii de rotații pe minut – sau de zeci de ori pe secundă și exact asta trebuie să facem cu energia de fuziune inerțială pentru a o transforma într-un sistem viabil, continuu. , sursă de energie durabilă."

"Pentru a atinge câștigul de energie necesar pentru o centrală pilot de fuziune, trebuie să trecem de la aproximativ de două ori mai multă energie decât în ​​- câștigul actual din experimentele NIF - la o energie câștig de 10 până la 20 de ori mai mult decât energia laser pe care o introducem”, a spus Glenzer. „Avem simulări care ne arată că nu este un obiectiv nerezonabil, dar va fi nevoie de multă muncă pentru a ajunge acolo.”

Mai mult, acele estimări actuale ale câștigului de energie din aprindere nu includ toate energie sau electricitate necesare pentru a face acea fotografie cu laser. Pentru a face din IFE o soluție energetică, aveți nevoie de creșterea eficienței întregului sistem sau a prizei de perete, ceea ce va presupune progrese în ambele direcții: mai multă energie din reacția de fuziune și mai puțină energie în laser, spune Fry.

Centurile de știință și tehnologie a energiei de fuziune inerțială, anunțate recent, sponsorizate de DOE, reunesc expertiza din mai multe instituții pentru a face față acestor provocări.

SLAC este partener în două dintre cele trei hub-uri, aducând expertiza laboratorului și capabilități în experimente cu laser cu viteză mare de repetiție, sisteme laser și toate tehnologiile însoțitoare.

„O dezvoltare interesantă este noile instalații laser planificate la Universitatea de Stat din Colorado și SLAC”, spune Glenzer, care este director adjunct al hub-ul RISE condus de CSU. Instalația laser de mare putere de la CSU și proiectul MEC-U de la Linac Coherent Light Source de la SLAC se vor baza pe cea mai recentă arhitectură laser și vor furniza impulsuri laser la 10 cadre pe secundă.

„LCLS a fost Operând lasere în ultimii zece ani la mai mult de 100 de fotografii pe secundă, ceea ce înseamnă că avem o experiență tehnologică foarte puternică în efectuarea de experimente cu rată mare de repetiție”, a spus Glenzer. „Am dezvoltat noi ținte, diagnostice și detectoare care pot profita de ratele ridicate de repetiție și care sunt destul de unice în acest domeniu și se potrivesc bine cu ceea ce dorim să obținem cu IFE.”

Dar. mai sunt multe de învățat despre cum să loviți cu precizie o țintă în centrul unei camere de 10 ori pe secundă, astfel încât resturile țintei și puterea de fuziune să nu afecteze sau să deterioreze laserele sau inserția țintei.

În calitate de partener în hub-ul STARFIRE condus de LLNL, SLAC va contribui la crearea unor cerințe tehnice detaliate pentru sistemele laser pentru IFE, care sunt strâns legate de cele care urmează să fie construite pentru proiectul MEC-U în curs de desfășurare la SLAC, spune Fry.

„Laserele avansate de la MEC-U vor folosi o modalitate mai eficientă de a introduce energie în laser și o schemă avansată de răcire pentru a rula la o rată de repetiție mai mare. Tehnologiile pe care le dezvoltăm și întrebările științifice putem răspunde cu el, sunt convingătoare pentru IFE.”

În plus, razele X ultraluminoase de la LCLS pot ajuta oamenii de știință să înțeleagă ce se întâmplă în combustibilul cu hidrogen în timp ce trece prin fuziune sau ce se întâmplă în material care este suflat de pe pelete pentru a provoca implozia.

De fapt, materialele joacă un rol cheie în dezvoltarea IFE, spune Gleason. „Folosirea laserelor pentru a imploda o țintă uniform și sferic este atât de dificilă, deoarece materialele sunt întotdeauna defecte: există o dislocare, un defect, o neomogenitate chimică, o rugozitate a suprafeței, o porozitate la mezoscală. Pe scurt, există întotdeauna variații și defecte în materiale.”

Unul dintre lucrurile de care este încântată este să înțeleagă mai bine materialele implicate cu IFE la nivel atomic pentru a testa și perfecționa modelele fizice pentru proiecte specifice IFE, a spus ea.

„La SLAC avem instrumente fenomenale pentru a cerceta în profunzime materialele. Înțelegând fizica imperfecțiunilor, le putem transforma „defectele” în caracteristici care pot fi luate în considerare în designul lor – putem avea o mulțime de butoane pe care să le pornim în reglarea compresiei. în procesul de fuziune."

O altă mare provocare pe care toți cei trei cercetători sunt dornici să o abordeze este formarea forței de muncă necesare pentru a face cercetări și a conduce instalațiile de energie de fuziune ale viitorului.

centrele includ finanțare pentru implicarea studenților, a spus Glenzer. „Vom antrena următoarea generație de oameni de știință și tehnicieni pentru a profita de aceste noi capacități.”

Fry și Gleason sunt, de asemenea, foarte convinși de a atrage oameni în domeniu, astfel încât energia de fuziune, pe măsură ce se dezvoltă, să fie o întreprindere incluzivă.

„Vom avea nevoie de ingineri, tehnicieni, operatori, resurse umane și profesioniști în achiziții etc.”, a spus Gleason. „Cred că mulți tineri se pot aduna în spatele fuziunii și se pot simți împuterniciți făcând ceva care împinge criza climatică – vor să vadă o schimbare în viața lor.”

Glenzer este convins că vor . "Oamenii speculaseră că va dura 30 de ani pentru a construi o centrală de energie de fuziune, dar recenta descoperire a aprinderii a adus această perspectivă mai aproape de realitate. Am crescut deja câștigul de fuziune cu 1.000 în ultimii 10 ani de muncă la NIF", a spus el.

„Potențialul pentru o sursă de energie curată, echitabilă și abundentă – și toată știința și tehnologia care vine alături de dezvoltarea energiei de fuziune – este foarte interesant.”

LCLS este o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science. Nodurile de energie de fuziune au fost formate prin programul de cercetare accelerată a științei și tehnologiei energiei de fuziune inerțială (IFE-STAR) al DOE.

(Fluierul)