I århundraden har människor drömt om utnyttja solenergiets kraft att driva våra liv här på jorden. Men vi vill gå utöver att samla solenergi, och en dag generera vår egen från en minisol. Om vi ​​kan lösa en extremt komplex uppsättning vetenskapliga och tekniska problem, lovar fusionsenergi en grön, säker, obegränsad energikälla. Från bara ett kilo deuterium extraherat från vatten per dag kunde komma tillräckligt med el för att driva hundratusentals hem.

Sedan 1950s, har vetenskaplig och teknisk forskning genererade enorma framsteg mot att tvinga väteatomer att smälta ihop i en självbärande reaktion - såväl som a liten men bevisbar mängd av fusionsenergi. Skeptiker och förespråkare lika notera de två viktigaste kvarstående utmaningarna: upprätthålla reaktionerna under långa perioder och utarbeta en materiell struktur för att utnyttja fusionsförmågan för el.

Som fusionsforskare vid Princeton Plasma Physics Lab, vi vet att realistiskt är den första kommersiella fusionsanläggningen fortfarande minst 25 år borta. Men potentialen för dess stora fördelar att komma fram i andra hälften av detta sekel innebär att vi måste fortsätta att arbeta. Viktiga demonstrationer av fusionens genomförbarhet kan uppnås tidigare - och måste, så att fusionskraften kan införlivas i planeringen för vår energi framtid.

Till skillnad från andra former av elproduktion, såsom sol, naturgas och kärnklyvning, kan fusion inte utvecklas i miniatyr och sedan enkelt skalas upp. Experimentella steg är stora och tar tid att bygga. Men problemet med riklig, ren energi kommer att bli en stora krav på mänskligheten för nästa århundrade och bortom. Det skulle vara dumt att inte fullt ut utnyttja denna mest lovande energikälla.

Varför fusionskraft?

Vid fusion är två kärnor av väteatomen (deuterium och tritiumisotoper) säkring ihop. Det här är relativt svårt att göra: Båda kärnorna är positivt laddade och stöter därför på varandra. Endast om de rör sig extremt snabbt när de kolliderar kommer de att krossa ihop, säkras och därigenom släppa den energi vi är ute efter.

Detta händer naturligt i solen. Här på jorden använder vi kraftfulla magneter för att innehålla en extremt het gas av elektriskt laddade deuterium och tritiumkärnor och elektroner. Denna heta laddade gas kallas för plasma.

Plasmen är så het - mer än 100 miljoner grader Celsius - att de positivt laddade kärnorna rör sig tillräckligt snabbt för att övervinna deras elektriska avstängning och säkring. När kärnorna smälter bildar de två energetiska partiklar - en alfapartikel (heliumatomens kärna) och en neutron.

Uppvärmning av plasma till en sådan hög temperatur tar en stor mängd energi - som måste sättas in i reaktorn innan fusion kan börja. Men när det går, har fusion potential att generera tillräckligt med energi för att behålla sin egen värme, så att vi kan dra av överflödig värme för att bli användbar el.

Bränsle för fusionskraft är riklig i naturen. Deuterium är rikligt i vatten, och själva reaktorn kan göra tritium från litium. Och det är tillgängligt för alla nationer, mestadels oberoende av lokala naturresurser.

Fusionskraften är ren. Det avger inga växthusgaser och producerar bara helium och en neutron.

Det är säkert. Det finns ingen möjlighet för en omgående reaktion, som en klyvning "klyvning". I stället, om det är fel, kyler plasman och fusionsreaktionerna upphör.

Alla dessa attribut har motiverat forskning i årtionden och har blivit ännu mer attraktiva över tiden. Men positiven matchas av den betydande vetenskapliga utmaningen av fusion.

Framsteg hittills

Framsteg i fusion kan mätas på två sätt. Det första är det enorma förskottet i grundläggande förståelse för högtemperatur plasma. Forskare måste utveckla ett nytt fysikfält - plasmafysik - att tänka på metoder för att begränsa plasman i starka magnetfält och sedan utveckla förmågan att värma, stabilisera, styra turbulens i och mäta egenskaperna hos superhotplasma.

Relaterad teknik har också utvecklats enormt. Vi har tryckte gränserna i magneter, och elektromagnetiska vågkällor och partikelstrålar till innehålla och värma plasman. Vi har också utvecklat tekniker så att material kan tåla den intensiva värmen av plasman i aktuella experiment.

Det är lätt att förmedla de praktiska mätvärdena som spårfusion mars till kommersialisering. Chef bland dem är den fusionsstyrka som genererats i laboratoriet: Fusionskraftproduktion eskalerade från milliwatt för mikrosekunder i 1970s till 10 megawatt fusionskraft (vid Princeton Plasma Physics Laboratory) och 16 megawattar i en sekund (vid Joint European Torus i England) i 1990s.

Ett nytt kapitel i forskning

Nu arbetar det internationella vetenskapliga samfundet med att bygga en massiv fusionsforskningsanläggning i Frankrike. Kallad ITER (Latin för "vägen") kommer denna anläggning att generera cirka 500 megawatt med termisk fusionskraft i cirka åtta minuter åt gången. Om denna kraft omvandlades till el, skulle den kunna strömma om 150,000-bostäder. Som ett experiment kommer det att göra det möjligt för oss att testa viktiga vetenskapliga och tekniska problem som förberedelse för fusionskraftverk som kommer att fungera kontinuerligt.

ITER använder designen som kallas "tokamak, "Ursprungligen en rysk akronym. Det involverar en munkformad plasma, begränsad i ett mycket starkt magnetfält, vilket delvis skapas av elektrisk ström som flyter i själva plasmaet.

Även om det är utformat som ett forskningsprojekt, och inte avsett att vara en nettoproducent av elektrisk energi, kommer ITER att producera 10 gånger mer fusionsenergi än de 50-megawatt som behövs för att värma plasman. Detta är ett stort vetenskapligt steg, vilket skapar den första "brinnande plasma, "Där det mesta av den energi som används för att värma plasman kommer från själva fusionsreaktionen.

ITER stöds av regeringar som representerar hälften av världens befolkning: Kina, Europeiska unionen, Indien, Japan, Ryssland, Sydkorea och USA Det är ett starkt internationellt uttalande om behovet av och löftet om fusionsenergi.

Vägen framåt

Härifrån har den återstående vägen mot fusionskraft två komponenter. Först måste vi fortsätta forskning på tokamak. Det innebär att vi utvecklar fysik och teknik så att vi kan bibehålla plasman i ett stadigt tillstånd i månader i taget. Vi kommer att behöva utveckla material som kan motstå en mängd värme som motsvarar en femtedel av värmeflödet på solytan under långa perioder. Och vi måste utveckla material som kommer att täcka reaktorkärnan för att absorbera neutronerna och odla tritium.

Den andra komponenten på vägen till fusion är att utveckla idéer som förbättrar fusionens attraktivitet. Fyra sådana idéer är:

1) Använda datorer, optimera fusionsreaktorsdesign inom ramen för fysik och teknik. Utöver vad människor kan beräkna producerar dessa optimerade mönster twisted donut former som är mycket stabila och kan fungera automatiskt i flera månader. De kallas "stellaratorer" i fusionsbranschen.

2) Utveckla nya högtemperatur superledande magneter som kan vara starkare och mindre än dagens bästa. Det gör det möjligt för oss att bygga mindre och sannolikt billigare fusionsreaktorer.

3) Användande flytande metall, snarare än en fast substans, som materialet som omger plasma. Flytande metaller bryts inte, som erbjuder en möjlig lösning på den enorma utmaningen hur ett omgivande material kan uppträda när det kommer i kontakt med plasman.

4) Byggsystem som innehåller donutformade plasma med inget hål i mitten, bildande a Plasmaformad nästan som en sfär. Några av dessa metoder kan också fungera med ett svagare magnetfält. Dessa "kompakt tori"Och" lågfält "-metoder erbjuder också möjlighet till minskad storlek och kostnad.

Statligt sponsrade forskningsprogram runt om i världen arbetar på elementen i båda komponenterna - och kommer att resultera i fynd som gynnar alla metoder för fusionsenergi (såväl som vår förståelse av plasma i kosmos och industri). Under de senaste 10 till 15 år, privatfinansierade företag har också gått med i ansträngningen, i synnerhet på jakt efter kompakta tori och lågfält genombrott. Framsteg kommer och det kommer att ge riklig, ren och säker energi med den.

Om författaren

Stewart Prager, professor i astrofysisk vetenskap, tidigare direktör för laboratoriet för Princeton Plasma Physics, Princeton University och Michael C. Zarnstorff, biträdande direktör för forskning, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

[Redaktörens anteckning: Här är en varningsmeddelande om fusionsenergi.]

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon