Nedavna poročila znanstvenikov, ki preučujejo novo vrsto fuzijske tehnologije, so spodbudna, vendar smo še vedno nekoliko oddaljeni od “svetega grala čiste energije”.
Tehnologija, ki so jo razvili Heinrich Hora in sodelavci z Univerze v Novem Južnem Walesu, uporablja močne laserje za spajanje atomov vodika in bora, pri čemer se sproščajo visokoenergijski delci, ki jih je mogoče uporabiti za proizvodnjo električne energije.
Tako kot pri drugih vrstah fuzijske tehnologije je izziv v ustvarjanju stroja, ki lahko zanesljivo sproži reakcijo in porabi proizvedeno energijo.
Kaj je fuzijska energija?
Fuzija je proces, ki poganja sonce in zvezde. To se zgodi, ko sta jedri dveh atomov tako blizu, da se združita v eno in pri tem sprostita energijo.
Če je reakcijo mogoče ponoviti v laboratoriju, lahko zagotovi tako rekoč neomejeno moč osnovne obremenitve s tako rekoč ničelnim odtisom ogljika.
Najpreprostejša reakcija, ki jo lahko sprožimo v laboratoriju, je fuzija dveh različnih izotopov vodika: devterija in tricija. Produkt reakcije je helijev ion in hitro gibljiv nevtron. Večina dosedanjih študij sinteze je sledila tej reakciji.
Fuzija devterija in tricija deluje najbolje pri približno 100.000.000 ℃. Zapiranje plazme je ime, ki je pri takšnih temperaturah podobno plamenskemu stanju snovi.
Vodilni pristop k izkoriščanju fuzijskih sil se imenuje toroidno magnetno omejevanje. Superprevodne tuljave se uporabljajo za ustvarjanje približno milijonkrat močnejšega polja od magnetnega polja Zemlje, da vsebuje plazmo.
Znanstveniki so fuzijo devterija in tricija že dosegli v poskusih v ZDA (testni reaktor za fuzijo v Tokamaku) in Veliki Britaniji (Združeni evropski Torus). Letos bo britanski eksperiment dejansko vodil fuzijsko kampanjo devterija in tricija.
Ti poskusi sprožijo fuzijsko reakcijo z masivnim zunanjim segrevanjem in za ohranitev reakcije potrebuje več energije, kot jo sama reakcija proizvede.
Naslednja faza večjih raziskav združitve bo vključevala poskus z imenom ITER (latinsko „pot“), ki naj bi ga zgradili na jugu Francije. V ITER bodo omejeni helijevi ioni, ki nastanejo v reakciji, proizvedli toliko energije kot zunanji viri. Ker hitri nevtron nosi štirikrat več energije kot helijev ion, se bo moč povečala petkrat.
Kakšna je razlika med uporabo vodika in bora?
Tehnologija, o kateri so poročali Hora in njegovi kolegi, vključuje uporabo laserja za ustvarjanje zelo močnega omejevalnega magnetnega polja in drugega laserja za ogrevanje vodikovega gorivnega peleta, da doseže plamenišče.
Ko se vodikovo jedro (en proton) zlije z jedrom bora-11, nastanejo tri energijska helijeva jedra. V primerjavi z reakcijo devterij-tritij je prednost ta, da ni nevtronov, ki bi jih bilo težko vsebovati.
Horova rešitev je uporaba laserja za ogrevanje majhne pelete goriva na temperaturo vžiga in drugega laserja za ogrevanje kovinskih tuljav, da se ustvari magnetno polje, ki bo vsebovalo plazmo.
Tehnologija uporablja zelo kratke laserske impulze, ki trajajo le nanosekunde. Potrebno magnetno polje bi bilo izjemno močno, približno 1000-krat močnejše od polja, uporabljenega v poskusih z devterijem in tritijem.
Hora in sodelavci trdijo, da bo njihov postopek ustvaril “plazovski učinek” v gorivni peleti, kar pomeni, da bo prišlo do veliko večje fuzije, kot bi pričakovali.
Čeprav obstajajo eksperimentalni dokazi, ki podpirajo rahlo povečanje hitrosti fuzijske reakcije s prilagajanjem laserskega žarka in tarče, bi moral plazalni učinek za primerjavo z reakcijami devterija in tritija stopnjo fuzijske reakcije povečati za več kot 100.000-krat pri 100.000.000 ℃.
Poskusi z vodikom in borom so zagotovo prinesli vznemirljive fizične rezultate, vendar se zdijo napovedi Hore in sodelavcev o petletni poti do uresničitve termonuklearne energije prezgodnje. Drugi znanstveniki so že poskušali sprožiti lasersko fuzijo. Na primer, poskušali so doseči vžig s fuzijo vodika in devterija z uporabo 192 laserskih žarkov, usmerjenih na majhen cilj.
Ti poskusi so dosegli tretjino pogojev, potrebnih za en poskus. Težave vključujejo natančno pozicioniranje ciljev, nepravilnosti laserskega žarka in nestabilnost, ki jo povzročijo eksplozije.
Razvoj termonuklearne energije bo najverjetneje izvajal glavni mednarodni program, ki temelji na poskusu ITER. Avstralija ima mednarodno sodelovanje s projektom ITER na področju teorije in modeliranja, znanosti o materialih in tehnologije.
Matthew Hole, višji raziskovalec, Inštitut za matematične vede, Avstralska nacionalna univerza.
Ta članek je objavil The Conversation.
Viri: Foto: CCFE / JET
