Useimmat nykyään käytetyt energiaa tuottavat tekniikat ovat kestämättömiä, koska ne aiheuttavat merkittäviä vahinkoja planeettamme luonnolliselle ympäristölle. Viime vuosina tiedemiehet ympäri maailmaa ovat siten yrittäneet kehittää vaihtoehtoisia energiaratkaisuja, joissa hyödynnetään runsaita ja luonnonvaroja.
Aurinkoenergian, tuulienergian ja merivesienergiaratkaisujen lisäksi jotkut fyysikot ja insinöörit ovat tutkineet mahdollisuuksia saada energiaa ydinfuusioreaktioista. Tämä on prosessi, jossa kaksi atomiydintä yhdistyvät muodostaen raskaamman ytimen ja energisen neutronin.
Kaksi Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) kansallisessa sytytyslaitoksessa (NIF) työskentelevää tutkimusryhmää esitti uusia lähestymistapoja ydinenergian tuotannon lisäämiseen laserohjatun fuusioreaktion avulla. Heidän viimeaikaisissa Nature- ja Nature Physics -papereissa julkaistut havainnot avaavat uusia jännittäviä mahdollisuuksia yhdeksi päiväksi käyttää itsestään kuumenevia plasmaa kestävinä energialähteinä.
"Äskettäin julkaistu Nature-paperi ja Annie Kritcherin et al.:n täydentävä paperi raportoivat tuloksista, joita on käytetty fuusiotehokkuuden parantamiseen tähtäävän strategian soveltamisesta, jonka tiimimme rakensi ja esitteli inertiasettien fuusioyhteisölle noin neljä vuotta sitten", Omar A Hurricane, LLNL:n Inertial Confinement Fusion -ohjelman päätutkija, kertoi Phys.org:lle.
Tämä strategia, joka perustui vuosikymmeniä tehtyyn aiempaan inertiafuusiotutkimuksen työhön, vaati polttoainekapselin koon merkittävää kasvattamista fuusiokohteen sisällä, mikä lisää fuusiopolttoaineen energiasisältöä ja hidastaa jäähdytysnopeutta. Tämä työ, jota kutsuttiin "high production big radius implosion design" (HYBRID), toimi lähtökohtana tutkijoiden uusimmille kokeille.
"Nature Physicsissa esitelty työ perustui tähän aiempaan työhön, ymmärrykseen ja teknologiaan, mutta ratkaisi uuden teknisen haasteen: alun perin toimitettiin enemmän energiaa kuumaan plasmaan, jotta saadaan aikaan tarpeeksi fuusioreaktioita, jotta fuusio auttaisi lopulta lämmittämään plasmaa uudelleen. ", Annie Kritcher, yksi tutkimukseen osallistuneista johtavista tutkijoista, kertoi Phys.org:lle. "Tätä varten räjähdyksen kokoa tehtiin suuremmaksi, mikä aiheutti useita teknisiä haasteita."
Vaikka Hurricane, Kritcher ja heidän tiiminsä Lawrence Livermore National Laboratoryssa olivat aiemmin osoittaneet HYBRID-strategian mahdollisuudet, he havaitsivat myös, että sillä oli joukko rajoituksia. Erityisesti HYBRID-suunnittelua toteutettaessa heidän oli vaikea ylläpitää vakauteen liittyviä ominaisuuksia, räjähdysnopeutta ja symmetrian hallintaa, jotka he saavuttivat käyttämällä pienempiä kapselin iskuja, koska laserenergia loppui nopeasti.
"Kun kapseli kasvaa, tarvitsemme enemmän energiaa räjähdyksen johtamiseen", toteaa Chris Young, toinen tutkimuksen johtava kirjoittaja. "Koska olemme jo maksimoimassa NIF-laseria, meidän on oltava luovia sen suhteen, kuinka lisätä "hohlraumin" tehokkuutta, joka muuntaa laserfotonit röntgensäteiksi, jotka aiheuttavat räjähdyksen."
Kokeessaan Kritcher ja hänen tiiminsä loistaivat lasersäteitä kultaisen tölkin sisäpuolelle ja tuottivat röntgen "säteilyuunin". Tätä "uunia" käytettiin sitten lämmittämään fuusiopolttoainetta sisältävän kapselin ulkopuolta ja poistamaan materiaalia ulospäin tuottaen polttoaineeseen sisäänpäin puristusvoiman, joka lopulta saa näytteen räjähtämään äärimmäisissä paineissa. Pallosymmetrisen törmäyksen ylläpitäminen on kriittistä hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi.
"Näissä korkeissa paineissa tapahtuu fuusioreaktioita, ja näiden reaktioiden tuote imeytyy uudelleen, mikä lämmittää plasmaa edelleen (itselämpeneminen)," Kritcher selitti. "Tässä työssä saavutetut edistysaskeleet mahdollistivat suuremman mittakaavan räjähdyksen, joka sai aikaan enemmän fuusioreaktioita ja itsekuumenemista. Kun itsekuumeneminen on suurempi kuin fuusioreaktioiden käynnistämiseen tarvittava työ, plasma on alkanut palaa."
Ainutlaatuisen kokeellisen suunnittelunsa avulla kaksi tiimiä pystyivät lopulta saamaan plasman "lämmittämään itsensä". Tämä voisi viime kädessä auttaa tuottamaan suurempia fuusioreaktioita vaatimatta kehittyneempiä ja kalliimpia laitteita.
"Paltavan plasman" tilan saavuttaminen on ollut fuusiotutkimusyhteisön tavoite vuosikymmeniä, ja se on välttämätön askel kohti entistä korkeampaa fuusiotehokkuutta", Hurricane selitti. "Paltavan plasman saaminen tarkoittaa, että olemme lähellä fuusion syttymisen kääntöpistettä."
Lawrence Livermore National Laboratoryn viimeaikainen työ on valtava edistysaskel ydinfuusioreaktioita tutkivalle tutkimusyhteisölle. Alan pitkään jatkuneen tutkimusongelman ratkaisemisen lisäksi se voisi viime kädessä helpottaa itsekuumeneviin plasmaan perustuvien vaihtoehtoisten energiaratkaisujen käyttöönottoa.
"Tämän järjestelmän käyttö mahdollistaa näiden äärimmäisten plasmojen tutkimisen ja on kriittinen ensimmäinen askel lopullisessa tavoitteessa saavuttaa syttyminen ja suuri energiahyöty", Kritcher sanoi. "Tuleva työ sisältää parannuksia kohdesuunnitteluun, lisätäksemme entisestään alkuperäisen fuusion määrää ja fuusiotuotteiden uudelleenabsorptiota, mikä johtaa suurempiin hyötyihin. Lopuksi tutkimme myös näitä uusia plasmajärjestelmiä."
Seuraavissa tutkimuksissaan kaksi ryhmää aikovat tutkia havaitsemaansa palavaa plasmatilaa syvällisemmin ymmärtääkseen paremmin sen taustalla olevaa fysiikkaa. Lisäksi he haluaisivat parantaa suunnittelunsa kestävyyttä esimerkiksi vähentämällä sen vaihtelua laukauksista toiseen.
"NIF:n inertiaerottelun fuusiokokeet ovat edistyneet tasaisesti yli vuosikymmenen ajan tutkiessaan haasteita plasmaolosuhteiden saavuttamisessa (sadojen miljardien ilmakehän paineet), joita tarvitaan merkittävän fuusion esiintymiseen ja näiden haasteiden voittamiseksi", Hurricane lisäsi. "Jatkamme pyrkimystä korkeampaan fuusiotehokkuuteen rakentamalla siihen, mitä olemme tähän mennessä oppineet."
Tutki lisää
Tutkijat fuusiosytytyksen partaalla National Ignition FacilityssäLisätietoja:A. B. Zylstra et ai., Burning plasma achieve in inertial fuusio, Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-021-04281-w
A. L. Kritcher et ai., Design of inertial fusion implosions, jotka saavuttavat palavan plasmajärjestelmän, Nature Physics (2022).DOI: 10.1038/s41567-021-01485-9
O A Hurricane et al, Beyond alfa-heating: inertiaalisesti rajoitettujen fuusioiskujen ajaminen kohti palavaa plasmatilaa National Ignition Facilityssa, Plasma Physics and Controlled Fusion (2018).DOI: 10.1088/1361-65717/aaaaa
R. Betti et al, Alpha Heating and Burning Plasmas in Inertial Confinement Fusion, Physical Review Letters (2015).DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.255003
Lehtitiedot:,,© 2022 Science X Network
Sitanaus: Uudet tutkimukset korostavat itsekuumenevien plasman potentiaalia fuusioenergiassa (2022, 17. helmikuuta), haettu 20. toukokuuta 2022 osoitteesta https://phys.org/news/2022-02-highlight-potential -self-heating-plasmas-fusion.htmlTämä asiakirja on tekijänoikeuksien alainen. Yksityistä opiskelua tai tutkimusta varten tapahtuvaa reilua kauppaa lukuun ottamatta mitään osaa ei saa kopioida ilman kirjallista lupaa. Sisältö on tarkoitettu vain tiedoksi.
