Eeuwenlang, mensen hebben gedroomd van het benutten van de kracht van de zon om ons leven hier op aarde te stimuleren. Maar we willen verder gaan dan het verzamelen van zonne-energie, en op een dag onze eigen maken van een mini-zon. Als we een uiterst complexe reeks wetenschappelijke en technische problemen kunnen oplossen, fusie-energie belooft een groene, veilig, onbeperkte energiebron. Van slechts één kilogram deuterium dat per dag uit water wordt gehaald, zou genoeg elektriciteit kunnen komen om honderdduizenden huizen van stroom te voorzien.

Sinds de jaren vijftig, wetenschappelijk en technisch onderzoek heeft geleid tot enorme vooruitgang bij het dwingen van waterstofatomen om samen te smelten in een zichzelf in stand houdende reactie - evenals een kleine maar aantoonbare hoeveelheid fusie-energie. Zowel sceptici als voorstanders wijzen op de twee belangrijkste resterende uitdagingen:het gedurende lange tijd volhouden van de reacties en het bedenken van een materiële structuur om de fusiekracht voor elektriciteit te benutten.

Als fusieonderzoekers van het Princeton Plasma Physics Lab, we weten dat realistisch, de eerste commerciële fusiecentrale is nog minstens 25 jaar verwijderd. Maar het potentieel voor zijn buitenmaatse voordelen om in de tweede helft van deze eeuw te arriveren, betekent dat we moeten blijven werken. Grote demonstraties van de haalbaarheid van kernfusie kunnen eerder worden bereikt - en moeten, zodat fusie-energie kan worden opgenomen in de planning voor onze energietoekomst.

In tegenstelling tot andere vormen van elektrische opwekking, zoals zonne-, aardgas en kernsplijting, kernfusie kan niet in het klein worden ontwikkeld en vervolgens eenvoudig worden opgeschaald. De experimentele stappen zijn groot en nemen tijd in beslag om te bouwen. Maar het probleem van overvloedig, schone energie zal de komende eeuw en daarna een belangrijke roeping zijn voor de mensheid. Het zou dwaas zijn om deze meest veelbelovende energiebron niet volledig te benutten.

Waarom fusiekracht?

bij fusie, twee kernen van het waterstofatoom (deuterium- en tritiumisotopen) smelten samen. Dit is relatief moeilijk om te doen:beide kernen zijn positief geladen, en stoten elkaar daardoor af. Alleen als ze extreem snel bewegen als ze botsen, zullen ze tegen elkaar botsen, samensmelten en daardoor de energie vrijgeven waar we naar op zoek zijn.

Dit gebeurt van nature in de zon. Hier op aarde, we gebruiken krachtige magneten om een ​​extreem heet gas van elektrisch geladen deuterium- en tritiumkernen en elektronen te bevatten. Deze hete, geladen gas heet een plasma.

Het plasma is zo heet - meer dan 100 miljoen graden Celsius - dat de positief geladen kernen snel genoeg bewegen om hun elektrische afstoting te overwinnen en samen te smelten. Als de kernen samensmelten, ze vormen twee energetische deeltjes - een alfadeeltje (de kern van het heliumatoom) en een neutron.

Het verwarmen van het plasma tot zo'n hoge temperatuur kost veel energie, die in de reactor moet worden gestopt voordat de fusie kan beginnen. Maar als het eenmaal gaat, kernfusie heeft het potentieel om voldoende energie op te wekken om zijn eigen warmte te behouden, waardoor we overtollige warmte kunnen onttrekken om in bruikbare elektriciteit om te zetten.

Brandstof voor fusie-energie is overvloedig aanwezig in de natuur. Deuterium is overvloedig aanwezig in water, en de reactor zelf kan tritium maken uit lithium. En het is beschikbaar voor alle naties, grotendeels onafhankelijk van lokale natuurlijke hulpbronnen.

Fusiekracht is schoon. Het stoot geen broeikasgassen uit, en produceert alleen helium en een neutron.

Het is veilig. Er is geen mogelijkheid voor een op hol geslagen reactie, als een kernsplijting "meltdown". Liever, als er een storing is, het plasma koelt af, en de fusiereacties stoppen.

Al deze attributen hebben decennialang geleid tot onderzoek, en zijn in de loop van de tijd nog aantrekkelijker geworden. Maar de positieve punten worden geëvenaard door de aanzienlijke wetenschappelijke uitdaging van fusie.

Vooruitgang tot nu toe

De voortgang van fusie kan op twee manieren worden gemeten. De eerste is de enorme vooruitgang in het basisbegrip van plasma's bij hoge temperatuur. Wetenschappers moesten een nieuw natuurkundig gebied ontwikkelen - plasmafysica - om methoden te bedenken om het plasma op te sluiten in sterke magnetische velden, en ontwikkel dan het vermogen om te verwarmen, stabiliseren, regel turbulentie in en meet de eigenschappen van het superhete plasma.

Ook de verwante technologie is enorm vooruitgegaan. We hebben de grenzen met magneten verlegd, en elektromagnetische golfbronnen en deeltjesbundels om het plasma te bevatten en te verwarmen. We hebben ook technieken ontwikkeld zodat materialen de intense hitte van het plasma in huidige experimenten kunnen weerstaan.

Het is gemakkelijk om de praktische meetgegevens over te brengen die de opmars van fusie naar commercialisering volgen. De belangrijkste daarvan is de fusie-energie die in het laboratorium is opgewekt:de opwekking van fusie-energie escaleerde van milliwatt voor microseconden in de jaren 70 tot 10 megawatt aan fusie-energie (in het Princeton Plasma Physics Laboratory) en 16 megawatt voor één seconde (bij de Joint Europese Torus in Engeland) in de jaren negentig.

Een nieuw hoofdstuk in onderzoek

Nu werkt de internationale wetenschappelijke gemeenschap eensgezind aan de bouw van een enorme onderzoeksfaciliteit voor kernfusie in Frankrijk. ITER genoemd (Latijn voor "de weg"), deze centrale zal ongeveer acht minuten lang ongeveer 500 megawatt thermische fusie-energie opwekken. Als deze stroom zou worden omgezet in elektriciteit, het kan ongeveer 150 van stroom voorzien, 000 woningen. Als een experiment, het zal ons in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke en technische kwesties te testen ter voorbereiding op fusiecentrales die continu zullen functioneren.

ITER gebruikt het ontwerp dat bekend staat als de "tokamak, " oorspronkelijk een Russisch acroniem. Het gaat om een ​​donutvormig plasma, opgesloten in een zeer sterk magnetisch veld, die deels wordt gecreëerd door elektrische stroom die in het plasma zelf stroomt.

Hoewel het is ontworpen als een onderzoeksproject, en niet bedoeld om een ​​netto-producent van elektrische energie te zijn, ITER zal 10 keer meer fusie-energie produceren dan de 50 megawatt die nodig is om het plasma te verwarmen. Dit is een enorme wetenschappelijke stap, het creëren van het eerste "brandende plasma, " waarin de meeste energie die wordt gebruikt om het plasma te verwarmen afkomstig is van de fusiereactie zelf.

ITER wordt ondersteund door regeringen die de helft van de wereldbevolking vertegenwoordigen:China, de Europese Unie, Indië, Japan, Rusland, Zuid-Korea en de V.S. Het is een krachtig internationaal statement over de noodzaak van, en belofte van, fusie energie.

De weg vooruit

Vanaf hier, het resterende pad naar fusie-energie bestaat uit twee componenten. Eerst, we moeten doorgaan met het onderzoek naar de tokamak. Dit betekent vooruitgang in de natuurkunde en techniek, zodat we het plasma maanden achtereen in een stabiele toestand kunnen houden. We zullen materialen moeten ontwikkelen die gedurende lange perioden een hoeveelheid warmte kunnen weerstaan ​​die gelijk is aan een vijfde van de warmtestroom op het oppervlak van de zon. En we moeten materialen ontwikkelen die de reactorkern zullen bedekken om de neutronen te absorberen en tritium te kweken.

Het tweede onderdeel op de weg naar fusie is het ontwikkelen van ideeën die de aantrekkelijkheid van fusie vergroten. Vier van dergelijke ideeën zijn:

1. Computers gebruiken, fusiereactorontwerpen optimaliseren binnen de beperkingen van natuurkunde en techniek. Verder dan wat mensen kunnen berekenen, deze geoptimaliseerde ontwerpen produceren gedraaide donutvormen die zeer stabiel zijn en maandenlang automatisch kunnen werken. In de fusie-industrie worden ze 'stellarators' genoemd.
2. Ontwikkeling van nieuwe supergeleidende magneten voor hoge temperaturen die sterker en kleiner kunnen zijn dan de beste van vandaag. Daardoor kunnen we kleinere, en waarschijnlijk goedkoper fusie reactoren.
3. Met behulp van vloeibaar metaal, in plaats van een solide, als het materiaal dat het plasma omringt. Vloeibare metalen breken niet, een mogelijke oplossing bieden voor de immense uitdaging hoe een omringend materiaal zich zou kunnen gedragen wanneer het in contact komt met het plasma.
4. Bouwsystemen die donutvormige plasma's bevatten zonder gat in het midden, het vormen van een plasma in de vorm van bijna een bol. Sommige van deze benaderingen zouden ook kunnen werken met een zwakker magnetisch veld. Deze "compacte tori"- en "low-field"-benaderingen bieden ook de mogelijkheid van kleinere afmetingen en kosten.

Door de overheid gesponsorde onderzoeksprogramma's over de hele wereld zijn aan het werk aan de elementen van beide componenten - en zullen resulteren in bevindingen die ten goede komen aan alle benaderingen van fusie-energie (evenals ons begrip van plasma's in de kosmos en de industrie). In de afgelopen 10 tot 15 jaar, privaat gefinancierde bedrijven hebben zich ook bij de inspanning aangesloten, vooral op zoek naar compacte tori en low-field doorbraken. Er komt vooruitgang en het zal overvloedig brengen, schoon, veilige energie ermee.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.