Fusionsenergie - eine Zeit des Übergangs und Potentials

Energy Healing Modalities - Energy Fusion -How Energy Healing Modalities Work? (Juni 2019).

Anonim

Seit Jahrhunderten haben Menschen davon geträumt, die Kraft der Sonne zu nutzen, um unser Leben hier auf der Erde zu stärken. Aber wir wollen über das Sammeln von Solarenergie hinausgehen und eines Tages unser eigenes aus einer Mini-Sonne erzeugen. Wenn wir in der Lage sind, eine extrem komplexe Reihe von wissenschaftlichen und technischen Problemen zu lösen, verspricht Fusionsenergie eine grüne, sichere und unbegrenzte Energiequelle. Aus nur einem Kilogramm Deuterium, das pro Tag aus Wasser gewonnen wird, könnte genug Strom kommen, um Hunderttausende von Haushalten mit Strom zu versorgen.

Seit den 1950er Jahren hat die wissenschaftliche und technische Forschung enorme Fortschritte dabei gemacht, Wasserstoffatome dazu zu bringen, in einer sich selbst erhaltenden Reaktion zusammenzuschmelzen - ebenso wie eine kleine, aber nachweisbare Menge an Fusionsenergie. Skeptiker und Befürworter bemerken gleichermaßen die zwei wichtigsten verbleibenden Herausforderungen: die Aufrechterhaltung der Reaktionen über lange Zeiträume und die Entwicklung einer materiellen Struktur, um die Fusionsenergie für Strom nutzbar zu machen.

Als Fusionsforscher am Princeton Plasma Physics Lab wissen wir, dass das erste kommerzielle Fusionskraftwerk realistisch noch mindestens 25 Jahre entfernt ist. Aber das Potenzial für seine überdimensionierten Vorteile in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts bedeutet, dass wir weiter arbeiten müssen. Wichtige Demonstrationen der Machbarkeit der Fusion können früher durchgeführt werden - und müssen, damit Fusionsenergie in die Planung für unsere Energiezukunft einbezogen werden kann.

Im Gegensatz zu anderen Formen der Stromerzeugung, wie z. B. Solarenergie, Erdgas und Kernspaltung, kann die Fusion nicht im Kleinen entwickelt und dann einfach vergrößert werden. Die experimentellen Schritte sind groß und brauchen Zeit zum Aufbau. Aber das Problem der reichlich vorhandenen, sauberen Energie wird eine große Berufung für die Menschheit für das nächste Jahrhundert und darüber hinaus sein. Es wäre tollkühn, diese vielversprechendsten Energiequellen nicht vollständig auszunutzen.

Warum Fusionskraft?

In der Fusion verschmelzen zwei Atomkerne des Wasserstoffatoms (Deuterium- und Tritiumisotope) miteinander. Das ist relativ schwierig: Beide Kerne sind positiv geladen und stoßen sich daher ab. Nur wenn sie sich extrem schnell bewegen, kollidieren sie zusammen, verschmelzen und geben damit die Energie frei, nach der wir streben.

Dies geschieht natürlich in der Sonne. Hier auf der Erde nutzen wir starke Magnete, um ein extrem heißes Gas aus elektrisch geladenen Deuterium- und Tritiumkernen und Elektronen zu halten. Dieses heiße, geladene Gas wird Plasma genannt.

Das Plasma ist so heiß - mehr als 100 Millionen Grad Celsius -, dass sich die positiv geladenen Kerne schnell genug bewegen, um ihre elektrische Abstoßung und ihre Verschmelzung zu überwinden. Wenn die Kerne verschmelzen, bilden sie zwei energetische Teilchen - ein Alphateilchen (der Kern des Heliumatoms) und ein Neutron.

Das Erhitzen des Plasmas auf eine solch hohe Temperatur erfordert eine große Menge an Energie - die in den Reaktor gegeben werden muss, bevor die Fusion beginnen kann. Aber sobald es in Gang gekommen ist, hat die Fusion das Potenzial, genug Energie zu erzeugen, um ihre eigene Wärme zu erhalten. Dadurch können wir überschüssige Wärme abführen, um in nutzbare Elektrizität umzuwandeln.

Brennstoff für die Fusionskraft ist reichlich in der Natur. Deuterium ist reichlich in Wasser, und der Reaktor selbst kann Tritium aus Lithium herstellen. Und es steht allen Nationen zur Verfügung, meist unabhängig von lokalen Naturressourcen.

Fusionskraft ist sauber. Es emittiert keine Treibhausgase und produziert nur Helium und ein Neutron.

Es ist sicher. Es gibt keine Möglichkeit für eine außer Kontrolle geratene Reaktion, wie eine nukleare Kernschmelze. Wenn es zu einer Fehlfunktion kommt, kühlt das Plasma ab und die Fusionsreaktionen hören auf.

All diese Eigenschaften haben die Forschung über Jahrzehnte motiviert und sind im Laufe der Zeit noch attraktiver geworden. Die positiven Ergebnisse werden jedoch durch die bedeutende wissenschaftliche Herausforderung der Fusion ergänzt.

Fortschritt bis heute

Der Fortschritt in der Fusion kann auf zwei Arten gemessen werden. Der erste ist der enorme Fortschritt im grundlegenden Verständnis von Hochtemperaturplasmen. Die Wissenschaftler mussten ein neues Gebiet der Physik - die Plasmaphysik - entwickeln, um Methoden zur Begrenzung des Plasmas in starken Magnetfeldern zu entwickeln und dann die Fähigkeiten zur Erwärmung, Stabilisierung, Steuerung der Turbulenz und zur Messung der Eigenschaften des superhellen Plasmas zu entwickeln.

Die verwandte Technologie ist ebenfalls enorm fortgeschritten. Wir haben die Grenzen in Magneten und elektromagnetische Wellenquellen und Partikelstrahlen gedrückt, um das Plasma zu enthalten und zu erhitzen. Wir haben auch Techniken entwickelt, so dass Materialien in den aktuellen Experimenten der starken Hitze des Plasmas standhalten können.

Es ist einfach, die praktischen Metriken zu vermitteln, die den Marsch der Fusion zur Kommerzialisierung verfolgen. Der wichtigste unter ihnen ist die Fusionskraft, die im Labor erzeugt wurde: Die Fusionsenergieerzeugung stieg von Milliwatt für Mikrosekunden in den 1970er Jahren auf 10 Megawatt Fusionsenergie (am Princeton Plasma Physics Laboratory) und 16 Megawatt für eine Sekunde (am Joint European Torus in England) in den 1990er Jahren.

Ein neues Kapitel in der Forschung

Jetzt arbeitet die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft in Einheit, um eine massive Fusionsforschungseinrichtung in Frankreich zu errichten. Diese Anlage wird ITER (lateinisch für "der Weg") genannt und wird etwa acht Minuten lang rund 500 Megawatt thermische Fusionsenergie erzeugen. Wenn diese Energie in Strom umgewandelt würde, könnte sie etwa 150.000 Haushalte mit Strom versorgen. Als ein Experiment wird es uns ermöglichen, wichtige wissenschaftliche und technische Probleme in Vorbereitung auf Fusionskraftwerke zu testen, die kontinuierlich funktionieren werden.

ITER verwendet das Design, das als "Tokamak" bekannt ist, ursprünglich ein russisches Akronym. Es handelt sich um ein Donut-förmiges Plasma, das in einem sehr starken Magnetfeld eingeschlossen ist, das teilweise durch elektrischen Strom erzeugt wird, der im Plasma selbst fließt.

Obwohl es als Forschungsprojekt konzipiert ist und nicht als Nettoerzeuger von elektrischer Energie gedacht ist, wird ITER zehn Mal mehr Fusionsenergie erzeugen als die 50 Megawatt, die zur Erwärmung des Plasmas benötigt werden. Dies ist ein großer wissenschaftlicher Schritt, der das erste "brennende Plasma" erzeugt, in dem die meiste Energie, die zur Erwärmung des Plasmas verwendet wird, aus der Fusionsreaktion selbst stammt.

ITER wird von Regierungen unterstützt, die die Hälfte der Weltbevölkerung repräsentieren: China, die Europäische Union, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA. Es ist eine starke internationale Erklärung über die Notwendigkeit und das Versprechen von Fusionsenergie.

Die Straße nach vorne

Von hier aus hat der verbleibende Weg zur Fusionskraft zwei Komponenten. Zuerst müssen wir die Erforschung des Tokamaks fortsetzen. Dies bedeutet, dass Physik und Technik vorangebracht werden müssen, damit wir das Plasma über mehrere Monate stabil halten können. Wir müssen Materialien entwickeln, die eine Wärmemenge von einem Fünftel des Wärmestroms auf der Sonnenoberfläche für lange Zeit aushalten können. Und wir müssen Materialien entwickeln, die den Reaktorkern abdecken, um die Neutronen zu absorbieren und Tritium zu züchten.

Die zweite Komponente auf dem Weg zur Fusion ist die Entwicklung von Ideen, die die Attraktivität der Fusion erhöhen. Vier solcher Ideen sind:

  1. Mit Computern optimieren Sie Fusionsreaktor-Designs innerhalb der Grenzen von Physik und Technik. Jenseits dessen, was Menschen berechnen können, erzeugen diese optimierten Designs verdrehte Doughnut-Formen, die sehr stabil sind und monatelang automatisch funktionieren. Sie werden im Fusion-Geschäft "Stellaratoren" genannt.
  2. Entwicklung neuer Hochtemperatur-supraleitender Magnete, die stärker und kleiner als die heutigen besten sein können. Dadurch können wir kleinere und wahrscheinlich billigere Fusionsreaktoren bauen.
  3. Verwenden von flüssigem Metall statt eines Feststoffs als das Material, das das Plasma umgibt. Flüssige Metalle brechen nicht und bieten eine mögliche Lösung für die immense Herausforderung, wie sich ein umgebendes Material beim Kontakt mit dem Plasma verhalten könnte.
  4. Bausysteme, die Donut-förmige Plasmen ohne Loch in der Mitte enthalten und ein Plasma bilden, das fast wie eine Kugel geformt ist. Einige dieser Ansätze könnten auch mit einem schwächeren Magnetfeld funktionieren. Diese "Compact-Tori" - und "Low-Field" -Ansätze bieten auch die Möglichkeit, Größe und Kosten zu reduzieren.

Von der Regierung geförderte Forschungsprogramme auf der ganzen Welt arbeiten an den Elementen beider Komponenten - und werden zu Erkenntnissen führen, die allen Ansätzen zur Fusionsenergie (sowie unserem Verständnis von Plasmen im Kosmos und in der Industrie) zugute kommen. In den letzten 10 bis 15 Jahren haben sich auch privat finanzierte Unternehmen der Anstrengung angeschlossen, insbesondere auf der Suche nach kompakten Tori und Low-Field-Durchbrüchen. Der Fortschritt kommt und es wird reichlich, saubere, sichere Energie mit sich bringen.

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