Qual è il reale potenziale dell'energia da fusione?
plasma di idrogeno all'interno di un reattore a fusione chiamato Wendelstein 7-X.
Credit: Max-Planck-Institut per la fisica del plasma

Questo articolo è stato originariamente pubblicato in  conversazione.  La pubblicazione ha contribuito l'articolo a Live Science di  esperti Voci: Op-Ed & Insights .

Per secoli, gli esseri umani hanno sognato di sfruttare la potenza del sole per eccitare la nostra vita qui sulla Terra. Ma vogliamo andare oltre la raccolta di energia solare, e un giorno di generare il nostro da un mini-sole. Se siamo in grado di risolvere un insieme estremamente complesso di problemi scientifici e di ingegneria, energia di fusione promette un verde, sicuro, fonte illimitata di energia . Da solo un chilogrammo di deuterio estratto da acqua al giorno potrebbe venire abbastanza elettricità per alimentare centinaia di migliaia di case.

Dal 1950, la ricerca scientifica e l'ingegneria ha generato enormi progressi verso costringendo gli atomi di idrogeno a fondersi insieme in una reazione auto-sostenere - così come una piccola ma dimostrabile quantità di energia da fusione. Gli scettici e sostenitori allo stesso modo di notare le due sfide più importanti rimanente: mantenendo le reazioni per lunghi periodi di tempo ed elaborare una struttura materiale di sfruttare la potenza di fusione per l'energia elettrica.

Come i ricercatori della fusione presso il Princeton Plasma Physics Lab , sappiamo che realisticamente, la prima centrale a fusione commerciale è ancora almeno 25 anni di distanza. Ma il potenziale per i suoi benefici fuori misura per arrivare nella seconda metà di questo secolo significa che dobbiamo continuare a lavorare. Le principali manifestazioni di fattibilità della fusione può essere compiuto in precedenza - e deve, in modo che l'energia da fusione possono essere incorporati nella pianificazione per il nostro futuro energetico.

A differenza di altre forme di generazione elettrica, come l'energia solare, il gas naturale e la fissione nucleare, la fusione non può essere sviluppato in miniatura e quindi essere semplicemente scalati. Le fasi sperimentali sono grandi e richiedono tempo per costruire. Ma il problema di abbondanza, energia pulita sarà un importante chiamata per l'umanità per il prossimo secolo e oltre. Sarebbe sconsiderato non sfruttare pienamente questo più promettente delle fonti di energia.

Nella fusione, due nuclei di idrogeno (deuterio e trizio isotopi) si fondono . Questo è relativamente difficile da fare: Entrambi i nuclei sono carichi positivamente, e quindi si respingono. Solo se si stanno muovendo molto velocemente quando entrano in collisione faranno distruggere insieme, fusibile e quindi rilasciare l'energia che cerchiamo.

Questo avviene naturalmente al sole. Qui sulla Terra, usiamo potenti magneti a contenere un gas estremamente caldo di deuterio e trizio nuclei ed elettroni con carica elettrica. Questo gas carica calda è chiamata plasma.

Il plasma è così caldo - più di 100 milioni di gradi Celsius - che i nuclei di carica positiva si muovono abbastanza veloce per superare la loro repulsione elettrica e il fusibile. Quando il fusibile nuclei, formano due particelle energetiche - una particella alfa (il nucleo di elio) e un neutrone.

Riscaldamento del plasma ad una temperatura così elevata richiede una grande quantità di energia - che deve essere inserito nel reattore prima fusione può iniziare. Ma una volta che si va, la fusione ha il potenziale per generare abbastanza energia per mantenere il proprio calore, che ci permette di trarre fuori il calore in eccesso per trasformare in energia elettrica utilizzabile.

Combustibile per il potere di fusione è abbondante in natura. Il deuterio è abbondante in acqua, e il reattore stesso può fare trizio dal litio . Ed è a disposizione di tutte le nazioni, per lo più indipendente delle risorse naturali locali.

L'energia di fusione è pulito. Non emette gas serra, e produce solo elio e un neutrone.

È sicuro. Non vi è alcuna possibilità di una reazione di instabilità , come un nucleare di fissione "meltdown". Piuttosto, se c'è qualche guasto, il plasma si raffredda, e le reazioni di fusione cessa.

Tutti questi attributi hanno motivato la ricerca per decenni, e sono diventati ancora più attraente nel tempo. Ma gli aspetti positivi sono abbinati dal significativo sfida scientifica della fusione.

I progressi in fusione può essere misurata in due modi. Il primo è l'enorme passo avanti nella comprensione di base di plasma ad alta temperatura. Gli scienziati hanno dovuto sviluppare un nuovo campo della fisica - fisica dei plasmi - concepire metodi per confinare il plasma in forti campi magnetici, e poi evolvere le capacità di riscaldare, stabilizzare, controllo turbolenze e misurare le proprietà del plasma superhot.

Tecnologia correlata ha anche progredito enormemente. Abbiamo spinto i confini di magneti e sorgenti di onde elettromagnetiche e fasci di particelle per contenere e riscaldare il plasma . Abbiamo anche sviluppato tecniche in modo che i materiali in grado di sopportare il calore intenso del plasma in esperimenti attuali.

E 'facile trasmettere le metriche pratiche che traccia marcia di fusione alla commercializzazione. Primo fra tutti è la potenza di fusione che è stato generato in laboratorio: produzione di energia di fusione intensificato da milliwatt per microsecondi nel 1970 a 10 megawatt di energia da fusione (al Laboratorio di Fisica di Princeton Plasma) e 16 megawatt per un secondo (in comune European Torus in Inghilterra) nel 1990.

Ora la comunità scientifica internazionale sta lavorando in unità per la costruzione di un centro di ricerca di fusione massiccia in Francia. Chiamato ITER (in latino "la via"), questo impianto produrrà circa 500 megawatt di potenza di fusione termica per circa otto minuti alla volta. Se questo potere sono stati convertiti in energia elettrica, che potrebbe alimentare circa 150.000 case. Come esperimento, ci permetterà di testare questioni scientifiche e ingegneristiche chiave in preparazione per le centrali a fusione che funzioneranno in modo continuo.

ITER impiega il progetto noto come " tokamak ", in origine un acronimo russo. Si tratta di un plasma a forma di ciambella, confinata in un forte campo magnetico, che è in parte creato dalla corrente elettrica che fluisce nel plasma stesso.

Anche se è concepito come un progetto di ricerca, e non è destinato a essere un produttore netto di energia elettrica, ITER produrrà 10 volte più energia di fusione di 50 megawatt necessari per riscaldare il plasma. Questo è un passo scientifica enorme, creando il primo " plasma brucia ", in cui la maggior parte dell'energia utilizzata per riscaldare il plasma viene dalla reazione di fusione stesso.

ITER è sostenuto da governi che rappresentano la metà della popolazione mondiale : Cina, Unione Europea, India, Giappone, Russia, Corea del Sud e Stati Uniti è una dichiarazione forte internazionale sulla necessità di, e la promessa di, energia di fusione.

Da qui, il percorso residuo verso il potere di fusione ha due componenti. In primo luogo, dobbiamo continuare la ricerca sul tokamak. Ciò significa avanzare la fisica e l'ingegneria in modo da poter sostenere il plasma in uno stato costante per mesi alla volta. Avremo bisogno di sviluppare materiali che possono resistere a una quantità di calore pari ad un quinto del flusso di calore sulla superficie del sole per lunghi periodi. E dobbiamo sviluppare materiali che Blanket il nocciolo del reattore per assorbire i neutroni e di razza trizio.

La seconda componente sulla via della fusione è quello di sviluppare idee che migliorano l'attrattiva di fusione. Quattro tali idee sono:

1) Utilizzando i computer, ottimizzare i progetti di reattori a fusione entro i limiti della fisica e dell'ingegneria. Al di là di ciò che gli esseri umani possono calcolare, questi disegni ottimizzati producono forme contorte ciambella che sono altamente stabili e possono operare automaticamente per mesi e mesi. Essi sono chiamati "stellarator" nel settore della fusione.

2) Lo sviluppo di nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura che possono essere più forte e più piccolo di oggi di meglio . Ciò consentirà di costruire più piccoli, e probabilmente meno costosi, reattori a fusione.

3) Uso metallo liquido, piuttosto che un solido, come il materiale che circonda il plasma. Metalli liquidi non si rompono , offrendo una possibile soluzione al problema immenso come un materiale circostante potrebbe comportarsi quando contatta il plasma.

4) sistemi gli edifici che contengono plasmi a forma di ciambella con nessun foro al centro , formando un plasma a forma quasi come una sfera . Alcuni di questi approcci potrebbe anche funzionare con un campo magnetico più debole. Questi " tori compatta " e "a basso campo" approcci offrono anche la possibilità di ridurre le dimensioni e il costo.

Programmi di ricerca sponsorizzato dal governo di tutto il mondo sono al lavoro sugli elementi di entrambi i componenti - e si tradurrà in risultati a beneficio di tutti gli approcci per l'energia da fusione (così come la nostra comprensione dei plasmi nel cosmo e industria). Negli ultimi 10 o 15 anni, le aziende a finanziamento privato si sono uniti allo sforzo , in particolare alla ricerca di tori compatto e basso campo scoperte. Il progresso sta arrivando e che porterà abbondanti, energia pulita e sicura con esso.

 

Stewart Prager , professore di Scienza Astrophysical, ex direttore della Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University e Michael C. Zarnstorff , Vice Direttore per la Ricerca, Princeton Plasma Physics Laboratory, Università di Princeton

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su La conversazione . Leggi l' articolo originale .