Det är ingen hemlighet att kärnkraft har haft något av ett dåligt rykte tidigare, fyllt med giftigt bagage och katastrofala härdsmältningar. Att reparera bilden av denna energikälla har varit en kamp i uppförsbacke, men de senaste prestationerna av dess mer svårfångade, men ändå kraftfullare, syskon – kärnfusion – kan förändra det. Om det uppnås kan det ge mänskligheten en effektivt gränslös och ren energikälla genom att replikera den typ av reaktioner som äger rum inuti solen.
I december 2022 meddelade Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) att dess National Ignition Facility (NIF) hade uppnått en ny milstolpe för att uppnå kärnfusion genom att generera mer kraft (över 3 megajoule, eller 1 megajoule blyg av ett kilo TNT som detonerade) än de ursprungligen hade lagt in med en process som kallas tröghetsinneslutning – mer om det senare.
Detta resultat kan låta magert för en energikälla som är modellerad efter kärnan av brinnande stjärnor, men för forskare som har jagat denna vetenskap i decennier som Omar orkanchefsforskare för fusionsprogrammet bakom detta resultat, det är ett bevis på att deras ansträngningar äntligen kan ge resultat.
”[T]Decemberresultatet var milstolpar som visar att det inte finns några fysikhinder som står i vägen för fusionskraftgenerering, säger Hurricane till Motherboard i ett mejl. ”Jag gillar att beskriva våra resultat som ett ”existensbevis.”
Hurricane tillade att även om NIF:s tillvägagångssätt potentiellt skulle kunna användas för kommersiell fusion på vägen, är det för närvarande fokuserat på ”fusionsvetenskap och tillämpningar för nationell säkerhet”, som att utvärdera USA:s kärnkraftslager.
Medan forskare har vetat hur man skapar kärnfusion i många år, har faktiskt skapande av denna potentiellt självförsörjande kraftkälla varit fältets vita val. NIF:s nya prestation, liksom en växande privat sektor, kan bara vara den push-fusion som behöver äntligen komma till sin rätt. Mer än bara en vetenskaplig prestation, en ny era av fusionskraft kan vara ett stort steg mot en mer hållbar energiframtid, Stephanie Diembiträdande professor vid University of Wisconsin-Madison och principiell utredare av ett fusionsenergiexperimentberättade för Motherboard i ett mejl.
”I slutändan kan ett fusionsbaserat kraftverk användas för att ersätta våra nuvarande, fossilbränsleförbrännande kraftverk och kan driva våra hem, industrier och företag,” sa Diem.
Med detta nya framsteg i åtanke är det värt att göra en inventering nu: Hur nära är vi att uppnå kärnfusion och lösa mänsklighetens energiproblem?
Vad är kärnfusion?
Om kärnfusion har så mycket potential kan det verka oklart varför dess motsvarighet, kärnklyvning, inte kan gå tå till tå. Medan båda reaktionerna är nukleära, vilket innebär att de båda involverar energiförändringar i atomkärnornas centrum, är de faktiskt polära motsatser på många sätt.
Kärnklyvning är kärnan i kärnkraftverk runt om i världen och fungerar genom att bryta isär atomerna av radioaktiva grundämnen som uran för att skapa en explosion av energi. Denna energi används sedan för att värma vatten och skapa ånga för att vända turbiner som skapar elektricitet. Beroende på deras storlek har kärnkraftverk som dessa en årlig genereringskapacitet på ungefär 500-1000 megawatt, vilket motsvarar upp till effekten av :text=Kärnkraft%20har%20var%20kraftig,kraft%20per%20anläggning%20på%20genomsnitt.” target=”_blank”>1,3 miljoner hästar per planta.
Nackdelen med detta tillvägagångssätt är att användning av radioaktiva atomer som reaktorernas energikälla resulterar i farliga avfallsprodukter och kan också vara känsliga för farliga härdsmältningar som de som ägde rum i Tjernobyl på 80-talet och Fukushima 2011. Även om nya fissionsreaktorer kan övervinna dessa fallgropar, är energikällan fortfarande ändlig.
”Fusion ger oss hopp och en fantastisk utmaning”
Kärnfusion, å andra sidan, har potentialen att vara självförsörjande när den väl har utlösts, en process som kärnkraftsforskare kallar antändning. Denna energikälla fungerar genom att slå ihop lätta atomer (t.ex. väteisotoperna deuterium och tritium) för att bilda en tyngre atom (t.ex. helium.). Detta är samma process genom vilken solen genererar den energi som vi försöker fånga på jorden med solpaneler.
”Den teoretiska energiproduktionen som är möjlig per massaenhet av fusionsbränslen… överstiger vida den för andra kända energikällor,” sa Hurricane. ”Deuteriumisotopen väte finns också gott om i havsvatten och det finns planer för att odla tritium från litium (även rikligt i havsvatten) i föreslagna fusionskraftverk.”
I likhet med kärnklyvningskraftverk kommer kärnfusionsteknik att skapa elektricitet genom skapandet av ånga för att vända en turbin, men kl. fyra gånger mängden och utan skadliga biprodukter.
Hur nära är vi att uppnå kärnfusion?
Att utnyttja kraften från en brinnande sol på jorden är ingen liten bedrift. För att uppnå detta finns det två huvudsakliga metoder som forskare använder: lasrar och magneter.
”Dessa inneslutningsmetoder passar i stort sett in i följande kategorier: magnetisk fusionsenergi som använder magnetiska flaskor som kallas tokamaks och stellaratorer, tröghetsfusionsenergi och magneto-intertial fusion – en kombination av de två föregående teknikerna,” sa Diem. ”Den mest mogna tekniken är MFE som använder magnetiska flaskor som kallas tokamak.”
NIF-experimentet skapades med laserbaserad tröghetsinneslutning. I ett nötskal studsade närmare 200 kraftfulla lasrar runt en kapsel som innehöll väteisotopbränslet. På några sekunder värmde energin från dessa lasrar upp kapseln från utsidan som först komprimerade bränslet och sedan skapade en utåtgående explosion av energi.
Många andra statliga och privata projekt, inklusive Frankrikes efterlängtade ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), använder tokamaks för att värma upp sitt stjärnbränsle. Tokamaks designades ursprungligen av sovjetiska forskare i slutet av 1950-talet och fungerar genom att använda magneter och ett vakuum för att komprimera och värma upp väteatomer tills de omvandlas till ett plasma. Fortsatt tryck på denna plasma tvingar den sedan att genomgå fusion.
De senaste åren har kärnfusionsgenombrott som NIF:s energivinst, Europas Joint European Torus (JET) bibehållen energipuls, och privata Storbritannien-baserade Tokamak Energys förbättrade uppvärmning har skrapat bort kraven för kärnfusion, men Diem sa att de just nu inte är mycket mer än vetenskapliga experiment.
”Nu när vi har visat att kontrollerad fusion är möjlig måste vi härnäst ta itu med de tekniska utmaningarna som krävs för att generera elektricitet”, sa hon.
För att göra kommersiell fusion genomförbar kommer forskare och ingenjörer att behöva utveckla nya material som tål fusionsmiljön samt utveckla nya sätt att skapa bränsle för dessa reaktioner, som att skörda ingredienserna från havsvatten. Sökandet efter bränsle har till och med fått forskare att titta på yttre rymden, där en heliumisotop som kallas helium-3—en lovande bränsle för kärnfusionsreaktorer—finns till stor del. Kina har till exempel påstås hitta helium-3 i månens smuts. Men i en planetarisk vändning, forskare har nyligen upptäckt att det finns mer helium-3 på jorden än man tidigare trott, även om dess källa förblir mystisk.
Mot dessa mål, Biden-Harris administration meddelat i april 2022 finansiering för två pilotfusionskraftverk på totalt 50 miljoner USD det finns skepsis hur denna finansiering kommer att se ut. Även då, tror forskare att kärnfusion fortfarande kan vara decennier bort.
Men när – eller kanske, om – det går över, kan det få krusningseffekter som går långt utöver grönare energi, sa Diem.
”I en värld där vi har utkämpat krig om energi och tillgång till resurser som används för energiproduktion och där vi ser accelererade effekter av klimatförändringar, ger fusion oss hopp och en fantastisk utmaning”, sa hon.
”Även om det fortfarande finns många utmaningar som ligger framför oss för fusion, är de potentiella fördelarna enorma och jag är otroligt glad över att se vad som händer härnäst inom detta område när vi fortsätter att driva innovation och driva mot en renare, mer hållbar, rättvis och rättvis framtid .”
Inlägget Hur nära är vi kärnfusion för gränslös energi? dök upp först VICE.
