Das eigentliche Problem mit Fusionsenergie

Der langjährige Witz über Fusion –, die es ist die Energiequelle der Zukunft und wird es immer sein – möglicherweise größte Problem des Feldes.

Die Suche nach der Kraft der Sonne Flasche führte zu unzähligen blauäugige Vorhersagen einer drohenden saubere Energie-Revolution. Aber die Erwartungen für die Fusion haben immer übergroße, der Spuren der gebrochenen Versprechen ist lange gewachsen und öffentliche Wahrnehmung hat sauer.

Während unsere Zynismus über Fusion gerechtfertigt fühlen kann, ist es auch schade. Weil, Trotz laue Unterstützung und Finanzierung Gefahr, Forscher sind konstante Fortschritte in Richtung dieser futuristischen Energiequelle. Wissenschaftler werden schließlich Fusion immense technische Herausforderungen lösen, wenn die Reise Gesellschaft verpflichten kann.

Letzte Woche besuchte ich die Princeton Plasma Physics Laboratory um das vor kurzem aktualisiert nationalen sphärische Torus Experiment (NSTX-U), der mächtigsten "sphärischen Tokamak" Fusionsreaktor auf der Erde zu erkunden. Ein 85 Tonnen Tier einer Maschine geformt wie einen riesigen Apfel entkernt, verwendet NSTX-U hochenergetischen Teilchen zu Hitze Wasserstoffatome auf Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius heißer als der Kern der Sonne. Um dieses Super-heißes Plasma enthalten, erzeugen gewundene Kupferspulen ein magnetisches Feld 20.000-Mal stärker als das der Erde. All dies, dass für ein paar magische Sekunden Atomkerne kollidieren werden, verschmelzen, und Energie freisetzen.

Das Experiment ist ein Schritt auf dem Weg in Richtung eines Fusionskraftwerks, die ständig laufen würde einschalten ganze Städte auf bloße Gramm des Meerwassers.

"Es klingt fast zu schön, um wahr zu sein... Aber die Kernphysik sagt, dass es nicht."

Es ist leicht einzusehen, warum das Feld der Fusionsenergie ist anfällig für grandiose Ansprüche – dieses Zeug einfach klingt Epos. Aber was mir am meisten von meiner Reise zu den PPPL auffiel, war nicht die Wissenschaft Zauberei innerhalb seiner riesigen Reaktor oder das Kontrollzentrum Houston-Stil, wo Dutzende von (weißen, männlichen) Wissenschaftler gepackten Daten und lief Supercomputer Simulationen. Es war das Gleichgewicht des Optimismus über die Fusion Energiezukunft und Realismus über die harten Physik und technischen Probleme, die gelöst werden, um uns dorthin zu gelangen müssen.

"Es klingt fast zu schön, um wahr zu sein: dieses Konzept, das wir eine grenzenlose, CO2-freie Energiequelle haben wollen" Clayton Myers, ein Plasmaphysiker arbeiten auf dem NSTX-U, erzählte mir. " Aber die Kernphysik sagt, dass es nicht. Es ist erwiesen, dass Fusionsreaktionen real sind und dass wir sie machen können."

Die grundlegende Herausforderung, als Physiker, die erst in den 1950er Jahren gelernt und 60er Jahren, ist diese Fusion Plasmen — frei fließende Suppen aus Protonen und Elektronen in der Atomkerne kollidieren und Energie freisetzen – mag nicht enthalten sein. Sie wollen überall, splatter und noch, wir müssen enthalten, bei hoch genug Druck und für lang genug Zeitintervalle, dass wir zu mehr Energie produzieren als wir hinein.

Unsere Sonne enthält Plasma mit seiner immensen Schwerkraft, sondern hier auf der Erde, wir brauchen starke Magnete oder Laser, dies zu tun. Und die Ränder für Fehler sind winzig. Eine teensy Menge von entflohenen Plasma kann die Wand eines Fusionsreaktors, wodurch die Maschine heruntergefahren Narbe.

Der Bereich Plasmaphysik blühte aus dem Wunsch, die Sterne Flasche. In den vergangenen Jahrzehnten hat das Feld in unzählige Richtungen, Astrophysik, Weltraumwetter zur Nanotechnologie erweitert.

Da unser allgemeine Verständnis von Plasmen gewachsen ist, so hat unsere Fähigkeit zur Fusion Bedingungen für mehr als eine heiße Sekunde. Anfang dieses Jahres konnte China neue supraleitende Fusionsreaktor ein 50 Millionen Grad Celsius Plasma für einen Datensatz 102 Sekunden enthalten. Die Stellarator Wendelstein X-7, die sich in Deutschland zum ersten Mal im Herbst letzten Jahres abgefeuert, dürfte diesen Datensatz mit Auflagen von bis zu 30 Minuten am Stück aus dem Wasser zu blasen.

Die NSTX-U den letzten Upgrade klingt bescheiden im Vergleich dazu: das Experiment kann jetzt ein Fusionsplasma kochen für fünf Sekunden anstelle von einem halten. Aber dies ist auch ein wichtiger Meilenstein.

"Making ein Fusionsplasma hält fünf Sekunden lang klingt nicht wie eine lange Zeit, dass die Physik [Plasma] bei fünf Sekunden ist vergleichbar mit der Physik an der Steady-State", sagte Myers unter Bezugnahme auf Bedingungen, in denen das Plasma stabil ist. (Das ultimative Ziel ist eine Steady-State "brennenden Plasmas," die Fusion auf einen eigenen mit nur einem kleinen Beitrag von Fremdenergie aufrechterhalten können. Kein Experiment bisher gelungen, dieses Ziel zu erreichen.)

Die NSTX-gestatten Sie Princeton Forscher, füllen die Lücken zwischen der Fusion Plasmaphysik heute bekannt ist, und was benötigt wird, eine Pilotanlage erreichen erreichen die Steady-State-brennen und Netto Stromerzeugung zu bauen.

Zum einen um die besten Materialien für Containment, finden müssen wir besser zu verstehen, was zwischen dem Fusionsplasma und die Reaktorwand vor sich geht. Princeton erforscht die Möglichkeit ihre aktuellen Reaktorwänden (gemacht von Carbon-Grafit) zu ersetzen mit einer "Wand" aus flüssigem Lithium, um langfristige Korrosion zu verringern.

"Unsere Ansicht ist, dass wenn Fusion einen Unterschied zur globalen Erwärmung machen wird, wir schneller gehen müssen."

Ganz allgemein die NSTX-helfen Sie Physiker entscheiden, ob das kugelförmige Tokamak-Design ist Wert, weiter verfolgt. Die meisten Tokamak-Reaktoren haben eine viel höhere Seitenverhältnis, was bedeutet, dass sie weniger Apfel-förmige und Donut-förmigen entkernt sind. Die ungewöhnliche Form des sphärischen Torus ermöglicht es, das Magnetfeld aus den Windungen effizienter zu nutzen.

"Auf lange Sicht wollen wir herausfinden, wie optimieren Sie die Konfiguration einer dieser Maschinen," sagte Martin Greenwald, der stellvertretende Direktor des MIT Plasma Science and Fusion Center. "Dazu musst du wissen, wie die Leistung der Maschine hängt von Dingen können Sie steuern, wie die Form."

Myers wurde verabscheuen, um abzuschätzen, wie weit wir von kommerziellen Fusionsenergie, und Sie sind aus kaum ihm übel nehmen kann. Immerhin ist die Jahrzehnte von einem übertriebenen Optimismus, die das Feld Ruf geschädigt und die Wahrnehmung, dass Fusion angeheizt haben ein Wunschtraum – und das hat echte Finanzierung folgen.

In einem großen Schlag gegen MITS-Fusion-Programm zog die FBI-Agenten vor kurzem Unterstützung für die Alcator C-Mod Tokamak-Reaktor, der eines der stärksten Magnetfelder erzeugt und hat einige der höchsten Druck Fusionsplasmen in der Welt. Ein Großteil der NSTX-U erwarteten Forschung hängt nachhaltige Unterstützung des Bundes, Myers zugelassen, ist "Jahr."

Natürlich müssen wir sorgfältig unsere Forschung ausgeben, und einige Fusion-Programme haben zerbrach Staffelung Rechnungen. ITER, eine enorme supraleitenden Fusionsreaktor derzeit im Bau in Frankreich zu nehmen. Als die internationale Zusammenarbeit im Jahr 2005 begann, wurde es als ein $ 5 Milliarden, 10-Jahres-Projekt in Rechnung gestellt. Nach Jahren der Rückschläge, das Preisschild stieg auf etwa $ 40 Milliarden. Optimistisch, wird die Anlage nun bis zum Jahr 2030 abgeschlossen sein.

Aber wo ITER scheint dazu bestimmt, wie ein Tumor anschwellen, bis es Ressourcen genügend und den Host tötet MITS abgespeckte Fusion-Programm zeigt was mit kleinem Budget erfolgen kann. Letzten Sommer, ein Team MIT graduate Studenten enthüllt Pläne für Bogen, eine kostengünstige Fusionsreaktor, die neue, Hochtemperatur supraleitenden Materialien verwenden würden, um die gleiche Menge an Energie als ITER in einem Gerät einen Bruchteil der Größe zu generieren.

"Die Herausforderung mit der Fusion ist einen technische Weg, das macht es wirtschaftlich attraktiv und das ist etwas, was wir tun können, bald, finden", sagte Greenwald, fügte hinzu, dass der ARC-Konzept nun durch MITs Energie-Initiative verfolgt wird. "Unsere Ansicht ist, dass wenn Fusion einen Unterschied zur globalen Erwärmung machen wird, wir schneller gehen müssen."

"Fusion ist wirklich die ultimative Energiequelle – es ist der Weg, wir wollen schließlich, Dinge zu tun", sagte Robert Rosner, ein Plasmaphysiker an der University of Chicago und Mitbegründer von seiner Energie-Politik-Institut. "In der Zwischenzeit die Frage wirklich geht, wie viel wir nun verbringen wollen. "Und wenn wir fallen, Finanzierung bis zu dem Punkt, wo die nächste Generation der wirklich kluge Kinder nicht ins Feld gehen möchten, werden wir uns aus dem Geschäft zu setzen."