Uudenlaista fuusioteknologiaa tutkivien tutkijoiden tuoreet raportit ovat rohkaisevia, mutta olemme silti jonkin verran etäisyydellä “puhtaan energian pyhästä graalista”.
Heinrich Hora ja hänen kollegansa Uusi Etelä-Walesin yliopistossa kehittämä tekniikka käyttää voimakkaita lasereita vety- ja booriatomien fuusioimiseksi vapauttamalla korkean energian hiukkasia, joita voidaan käyttää sähkön tuottamiseen.
Kuten muun tyyppisen fuusioteknologian kohdalla, haaste on kuitenkin sellaisen koneen rakentaminen, joka voi luotettavasti käynnistää reaktion ja käyttää tuottamaansa energiaa.
Mikä on fuusioenergia?
Fuusio on prosessi, joka ohjaa aurinkoa ja tähtiä. Tämä tapahtuu, kun kahden atomin ytimet ovat niin lähellä toisiaan, että ne yhdistyvät yhdeksi vapauttaen energiaa prosessissa.
Jos reaktio voidaan toistaa laboratoriossa, se voi tuottaa käytännössä rajoittamattoman peruskuormitustehon käytännössä nolla hiilijalanjälkeä.
Yksinkertaisin reaktio, joka voidaan aloittaa laboratoriossa, on kahden erilaisen vetyisotoopin: deuteriumin ja tritiumin fuusiointi. Reaktiotuote on heliumioni ja nopeasti liikkuva neutroni. Useimmat tähän mennessä tehdyt synteesitutkimukset ovat jatkaneet tätä reaktiota.
Deuterium-tritium-fuusio toimii parhaiten noin 100 000 000 ℃: ssa. Plasmasulkeminen on nimi, joka annetaan liekin kaltaiselle aineen tilalle tällaisissa lämpötiloissa.
Johtavaa lähestymistapaa fuusiovoimien käyttöön kutsutaan toroidimagneettiseksi sulkeutumiseksi. Suprajohtavia keloja käytetään plasman pitämiseen noin miljoona kertaa maapallon magneettikenttää vahvemman kentän luomiseen.
Tutkijat ovat jo saavuttaneet deuterium-tritiumfuusion kokeissa Yhdysvalloissa (fuusion testireaktori Tokamakissa) ja Isossa-Britanniassa (United European Torus). Itse asiassa tänä vuonna brittiläinen kokeilu suorittaa deuterium-tritium-fuusiokampanjan.
Nämä kokeet aloittavat fuusioreaktion käyttämällä massiivista ulkoista lämmitystä, ja reaktion ylläpitäminen vie enemmän energiaa kuin itse reaktio tuottaa.
Laajan sulautumistutkimuksen seuraava vaihe sisältää ITER-nimisen kokeilun (latinaksi polku), joka rakennetaan Etelä-Ranskaan. ITER: ssä reaktion tuottamat rajoitetut heliumionit tuottavat yhtä paljon energiaa kuin ulkoiset lähteet. Koska nopea neutroni kuljettaa neljä kertaa niin paljon energiaa kuin heliumioni, teho kasvaa viisinkertaiseksi.
Mitä eroa on vedyn ja boorin välillä?
Horan ja hänen kollegoidensa raportoimaan tekniikkaan kuuluu laserin käyttö erittäin voimakkaan rajoittavan magneettikentän luomiseen ja toinen laser vetypolttoaineen lämmittämiseksi leimahduspisteen saavuttamiseksi.
Kun vetyydin (yksi protoni) sulautuu boori-11-ytimeen, muodostuu kolme heliumenergiaydintä. Deuterium-tritium-reaktioon verrattuna etuna on, että ei ole vaikeasti pidättyviä neutroneja.
Horan ratkaisu on käyttää laseria pienen polttoainepelletin lämmittämiseen syttymislämpötilaansa ja toista laseria metallikäämin lämmittämiseen magneettikentän luomiseksi, joka sisältää plasman.
Tekniikka käyttää hyvin lyhyitä, vain nanosekunnin kestäviä laserpulsseja. Vaadittu magneettikenttä olisi erittäin voimakas, noin 1000 kertaa voimakkaampi kuin deuteriumin ja tritiumin kokeissa käytetty kenttä.
Hora ja hänen kollegansa väittävät, että heidän prosessinsa aiheuttaa “lumivyöryvaikutuksen” polttoainepellettiin, mikä tarkoittaa, että fuusio tapahtuu paljon enemmän kuin voisi odottaa.
Vaikka on olemassa kokeellisia todisteita fuusioreaktionopeuden pienen kasvun tueksi mukauttamalla lasersäde ja kohde, lumivyöryvaikutuksen olisi deuterium-tritium-reaktioiden vertaamiseksi lisättävä fuusioreaktionopeutta yli 100 000 kertaa 100 000 000 ° C: ssa.
Vety- ja boorikokeet ovat varmasti tuottaneet jännittäviä fyysisiä tuloksia, mutta Horan ja hänen kollegoidensa ennusteet viiden vuoden polusta ydinvoiman toteuttamiseksi näyttävät ennenaikaisilta. Muut tutkijat ovat jo yrittäneet käynnistää laserfuusion. Esimerkiksi he yrittivät saavuttaa syttymisen vety-deuteriumfuusiolla käyttämällä 192 lasersädettä, jotka keskittyivät pieneen kohteeseen.
Nämä kokeet saavuttivat kolmanneksen yhden kokeen edellyttämistä olosuhteista. Ongelmia ovat tarkka kohdistus, lasersäteen epäsäännöllisyydet ja räjähdysten aiheuttama epävakaus.
Lämpöydinenergian kehittäminen toteutetaan todennäköisesti kansainvälisessä pääohjelmassa, joka perustuu ITER-kokeiluun. Australia tekee kansainvälistä yhteistyötä ITER-hankkeen kanssa teorian ja mallinnuksen, materiaalitieteen ja tekniikan aloilla.
Matthew Hole, vanhempi tutkija, Matemaattisten tieteiden instituutti, Australian kansallinen yliopisto.
Tämän artikkelin on julkaissut The Conversation.
Lähteet: Kuva: CCFE / JET
