Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wetenschappers leggen uit:wat is traagheidsfusie-energie?

Die overgebleven massa (m) wordt energie (E) dankzij Einsteins beroemde E=mc 2 vergelijking. Kernfusie op aarde tot stand brengen is verrassend eenvoudig – en is de afgelopen decennia vele malen bereikt met behulp van een breed scala aan apparaten. Het moeilijkste is om het proces zelfvoorzienend te maken, zodat de ene fusiegebeurtenis de volgende aandrijft en een duurzaam, ‘brandend plasma’ creëert dat uiteindelijk schone, veilige en overvloedige energie zou kunnen genereren om het elektriciteitsnet van stroom te voorzien.

"Je kunt dit zien als het afsteken van een lucifer", legt Alan Fry uit. projectdirecteur voor SLAC's Matter in Extreme Condition Petawatt Upgrade (MEC-U). "Eenmaal ontstoken blijft de vlam branden. Op aarde moeten we de juiste omstandigheden creëren – een zeer hoge dichtheid en temperatuur – om het proces te laten plaatsvinden, en een van de manieren om dat te doen is met lasers."

Voer inertiële fusie-energie, of IFE, in, een mogelijke benadering voor het bouwen van een commerciële fusie-energiecentrale met behulp van fusiebrandstof en lasers. IFE heeft meer nationale steun gekregen sinds wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) herhaaldelijk fusiereacties hebben aangetoond die voor het eerst waar ook ter wereld een netto energiewinst opleverden.

"Met intense laserstralen bereikten we ontsteking, wat betekent dat we meer energie uit een fusiedoel haalden dan de laserenergie die erin werd gestopt", legt Siegfried Glenzer uit, hoogleraar fotonenwetenschap en directeur van SLAC's High Energy Density Science Division.

Fusie door traagheidsopsluiting:hoe het werkt

De techniek die bij NIF wordt gebruikt, bekend als traagheidsopsluitingsfusie, is een van de twee belangrijkste ideeën die worden onderzocht voor het creëren van een fusie-energiebron. De andere, bekend als magnetische opsluitingsfusie, gebruikt magnetische velden om fusiebrandstof in de vorm van plasma vast te houden.

Bij traagheidsopsluiting wordt het plasma gecreëerd met behulp van intense lasers en een kleine pellet gevuld met waterstof – meestal deuterium en tritium, isotopen met respectievelijk één en twee neutronen in de kern. De pellet is omgeven door een licht materiaal dat bij verhitting door de lasers naar buiten verdampt. En als dat wel het geval is, is er een netto reactie naar binnen, die een implosie teweegbrengt.

"Dit is eigenlijk een bolvormige raket", legt Fry uit. "Door uitlaatgassen naar buiten uit te stoten, drijft het de raket in de tegenovergestelde richting. In dit geval duwt het verdampte materiaal aan de buitenkant van de pellet de waterstofisotopen naar het midden."

De lasers moeten nauwkeurig worden toegepast om een ​​symmetrische schokgolf naar het midden van het waterstofmengsel te laten bewegen, waardoor de temperatuur en dichtheid ontstaat die nodig zijn om de fusiereactie op gang te brengen. NIF-ontstekingsgebeurtenissen gebruiken 192 laserstralen om deze implosie te creëren en ervoor te zorgen dat de isotopen samensmelten.

"De lasertechnologie en ons begrip van het fusieproces zijn zo snel vooruitgegaan dat we nu laseropsluiting kunnen gebruiken om uit elke fusiegebeurtenis een brandend plasma te creëren", aldus Gleason.

Snellere, efficiëntere lasers

Maar er is nog een lange weg te gaan. Lasers die worden gebruikt voor traagheidsfusie-energie moeten sneller kunnen vuren en elektrisch efficiënter worden, zeggen de experts.

De lasers bij NIF zijn zo groot en complex dat ze maar zo’n drie keer per dag kunnen vuren. Om een ​​krachtbron voor traagheidsfusie-energie te bereiken, zei Glenzer, "hebben we lasers nodig die 10 keer per seconde kunnen werken. We moeten dus de NIF-fusieresultaten samenvoegen met efficiënte laser- en brandstofdoeltechnologieën."

Fry gebruikt de analogie van een zuiger in een autocilinder om te beschrijven hoe individuele fusiereacties optellen om duurzame energie te genereren. "Elke keer dat je brandstof injecteert en ontsteekt, zet het uit en duwt de zuiger in je motor", zei hij. ‘Om je auto in beweging te krijgen, moet je het keer op keer doen met duizenden omwentelingen per minuut – of tientallen keren per seconde, en dat is precies wat we moeten doen met traagheidsfusie-energie om er een levensvatbare, continue energie van te maken. , duurzame energiebron."

‘Om de energiewinst te bereiken die nodig is voor een proeffusiecentrale, moeten we van ongeveer twee keer meer energie naar buiten gaan dan er in – de huidige winst uit NIF-experimenten – naar een energiewinst van 10 tot 20 keer de laserenergie die we erin stoppen. ' zei Glenzer. "We hebben simulaties die ons laten zien dat dit geen onredelijk doel is, maar dat het veel werk zal vergen om dat doel te bereiken."

Bovendien omvatten de huidige schattingen van de energiewinst door ontsteking niet alle energie of elektriciteit die nodig was om dat laserschot te maken. Om van IFE een energieoplossing te maken, moet het hele systeem, of de efficiëntie van de stekkers, worden verhoogd, wat vooruitgang in beide richtingen zal vereisen:meer energie uit de fusiereactie en minder energie in de laser, zegt Fry.

De onlangs aangekondigde door DOE gesponsorde wetenschaps- en technologiehubs voor traagheidsfusie-energie brengen expertise van meerdere instellingen samen om deze uitdagingen het hoofd te bieden.

SLAC is een partner in twee van de drie hubs en brengt de expertise en mogelijkheden van het laboratorium in op het gebied van laserexperimenten met hoge herhalingssnelheid, lasersystemen en alle bijbehorende technologieën.

"Een opwindende ontwikkeling zijn de nieuwe laserfaciliteiten die gepland zijn aan de Colorado State University en SLAC", zegt Glenzer, adjunct-directeur van de RISE-hub onder leiding van CSU. De krachtige laserfaciliteit bij CSU en het MEC-U-project bij SLAC's Linac Coherent Light Source zullen gebaseerd zijn op de nieuwste laserarchitectuur en zullen laserpulsen leveren met een snelheid van 10 schoten per seconde.

"LCLS heeft de afgelopen tien jaar lasers gebruikt met meer dan 100 schoten per seconde, en dat betekent dat we over een zeer sterke technologische expertise beschikken in het uitvoeren van experimenten met hoge herhalingsfrequenties", aldus Glenzer. "We hebben nieuwe doelen, diagnostiek en detectoren ontwikkeld die kunnen profiteren van de hoge herhalingsfrequenties en die vrij uniek zijn voor dit vakgebied en goed aansluiten bij wat we met IFE willen bereiken."

Maar er valt nog veel te leren over hoe je een doelwit in het midden van een kamer 10 keer per seconde precies kunt raken, op een manier dat het puin en de fusiekracht van het doelwit de lasers of het inbrengen van het doelwit niet zullen beïnvloeden of beschadigen.

Als partner in de STARFIRE-hub onder leiding van LLNL zal SLAC bijdragen aan het creëren van gedetailleerde technische vereisten voor lasersystemen voor IFE die nauw verwant zijn aan de vereisten die zullen worden gebouwd voor het MEC-U-project dat bij SLAC loopt, zegt Fry.

P>

"De geavanceerde lasers bij MEC-U zullen een efficiëntere manier gebruiken om energie in de laser te drijven en een geavanceerd koelschema om met een hogere herhalingssnelheid te werken. De technologieën die we ontwikkelen en de wetenschappelijke vragen die we ermee kunnen beantwoorden, zijn aantrekkelijk voor IFE."

Bovendien kunnen de ultraheldere röntgenfoto's van LCLS wetenschappers helpen begrijpen wat er gebeurt in de waterstofbrandstof terwijl deze door fusie gaat, of wat er gebeurt in het materiaal dat van de pellet wordt geblazen om de implosie te veroorzaken.

Materialen (en mensen) aan het werk zetten

Materialen spelen zelfs een sleutelrol bij de ontwikkeling van IFE, zegt Gleason. "Het gebruik van lasers om een ​​doel uniform en bolvormig te imploderen is zo moeilijk omdat materialen altijd gebrekkig zijn:er is een dislocatie, een defect, een chemische inhomogeniteit, een oppervlakteruwheid, een porositeit op de mesoschaal. Kortom, er zijn altijd variaties en defecten in materialen."

Een van de dingen waar ze enthousiast over is, is een beter begrip van de materialen die bij IFE betrokken zijn op atomair niveau, zodat ze natuurkundige modellen voor specifieke IFE-ontwerpen kan testen en verfijnen, zei ze.

"Bij SLAC hebben we fenomenale tools om diep in materialen te kijken. Door de fysica van imperfecties te begrijpen, kunnen we hun 'gebreken' omzetten in kenmerken die in hun ontwerp kunnen worden meegenomen - we kunnen veel knoppen hebben om aan te draaien bij het afstemmen van de compressie in het fusieproces."

Een andere grote uitdaging die alle drie de onderzoekers graag willen aangaan, is het opbouwen van het personeelsbestand dat nodig is om het onderzoek te doen en de fusie-energiefaciliteiten van de toekomst te runnen.

De hubs omvatten financiering voor de betrokkenheid van studenten, zei Glenzer. "We zullen de volgende generatie wetenschappers en technici opleiden om van deze nieuwe mogelijkheden te profiteren."

Fry en Gleason hechten er ook veel waarde aan om mensen naar het veld te trekken, zodat fusie-energie, zoals deze zich ontwikkelt, een inclusieve onderneming wordt.

"We hebben ingenieurs, technici, operators, personeelszaken en inkoopprofessionals nodig, enz.", zei Gleason. "Ik denk dat veel jonge mensen zich achter fusie kunnen scharen en zich gesterkt kunnen voelen door iets te doen dat de klimaatcrisis terugdringt; ze willen een verandering in hun leven zien."

Glenzer is ervan overtuigd dat dit het geval zal zijn. "Mensen hadden gespeculeerd dat het dertig jaar zou duren om een ​​fusie-energiecentrale te bouwen, maar de recente doorbraak van de ontsteking bracht dat vooruitzicht dichter bij de werkelijkheid. We hebben de fusiewinst al met 1.000 vergroot in de afgelopen tien jaar werk bij NIF," zei hij.

"Het potentieel voor een schone, rechtvaardige en overvloedige energiebron – en alle wetenschap en technologie die gepaard gaat met de ontwikkeling van fusie-energie – is zeer opwindend."

LCLS is een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit. De fusie-energiehubs werden gevormd door het Inertial Fusion Energy Science &Technology Accelerator Research (IFE-STAR) programma van de DOE.

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Top 5 manieren om slimmer te worden
  2. Vrouwelijke wetenschappers die de wereld veranderden
  3. De nadelen van Western Blotting
  4. 10 slechtste aanpassingen in het dierenrijk
  5. Wat zijn de functies van zetmeel in plantencellen?
  6. Voor bonobo's, het loont om machtige bondgenoten te hebben
  7. Benchmarking computationele methoden voor metanomen
  8. Wat zijn de subeenheden van DNA?
  9. Vaccinia-virus:nieuwe inzichten in de structuur en functie van het pokkenvirus-prototype

Wetenschap