Nükleer Füzyon Dünyanın Yeni Güç Kaynağı Olacak mı?

[™ Admin]

Nükleer Füzyon Dünyanın Yeni Güç Kaynağı Olacak mı?

Yalnızca alışılmadık derecede saf bir çocuk veya bir fosil yakıt yöneticisi, mevcut enerji durumumuzun sürdürülebilir olduğunu içtenlikle iddia edebilir. 50 yılı aşkın bir süredir, iklim krizinin kapsamı netleşmeden çok önce, bilim adamları bir alternatif için çalışıyorlar: füzyon gücü (yani, elektrik üretmek için nükleer füzyon reaksiyonlarından gelen ısıyı kullanmak). Bir çalışma alanı olarak başlangıcından bu yana, uygulanabilir füzyon gücü her zaman köşede olmuştur - ancak bu sefer, bu gerçekten doğru olabilir. Bu haftaki Giz Asks için, füzyon gücünün dünyaya gerçekten güç verip vermeyeceğini ve ne zaman olduğunu görmek için birkaç uzmanla konuştuk.

Steffi diem

Pegasus-III Deneyi üzerine araştırmaları yenilikçi füzyon reaktörü başlatma teknolojilerini geliştirmeye odaklanan Wisconsin-Madison Üniversitesi Mühendislik Fiziği Yardımcı Doçentidir.

Füzyon enerjisi gelişimi için fon artmaya devam ederse, evet, gelecekte füzyon dünyaya güç verecek. 1990'lardan bu yana, Amerika Birleşik Devletleri'nde füzyon araştırmaları için finansman, bir enerji kaynağının geliştirilmesi için değil, füzyon bilimi için olmuştur. Dünyanın geri kalanı da geniş bir füzyon araştırma portföyüne sahip ve hepimiz füzyonun gücünden yararlanmak için yarışıyoruz. Teknolojideki büyük son gelişmeler ve odağı füzyon enerjisi gelişimine kaydırmak için bir ABD füzyon topluluğu fikir birliği, bizi dünyayı füzyonla güçlendirmeye daha da yaklaştırıyor. Çözülmesi gereken büyük bir mühendislik sorunu ve füzyon enerjisini ticarileştirmeye daha da yaklaşıyoruz. Araştırmamızın gittiği yön konusunda gerçekten heyecanlıyım!

Füzyon, sıfır karbon emisyonu ile dünyaya temiz, yeşil enerji sağlama potansiyeline sahiptir. Füzyon için kullanılan yakıt son derece yoğun enerjidir; bir küvet değerindeki suda bulunan döteryum ile iki dizüstü bilgisayar pilinden alınan lityumun (trityumu üretmek için kullanılır) birleşimi kullanılarak, bu, tüm yaşamınız boyunca kirlilik olmadan yeterli enerji sağlar. Füzyon enerjisi için kullanılan bu küçük yakıt miktarı, 380 ton kirlilik salacak 230 ton kömüre eşdeğerdir. Dünya yenilenebilir enerjiye geçerken, füzyon, çeşitli bir enerji portföyünü tamamlamak için devreye girebilir (füzyon coğrafyadan, çevresel koşullardan bağımsızdır ve kompakt bir ayak izine sahiptir). Füzyon için yakıt, hidrojen izotoplarıdır, bu da onu yaygın olarak bulunur ve esasen tükenmez bir enerji kaynağı yapar.

ABD'de, füzyon topluluğu (üniversiteler, ulusal laboratuvarlar ve özel şirketler), ticari füzyon enerjisi için gücün kullanılmasında geriye kalan zorlukları belirlemek için iki yıllık bir stratejik planlama sürecini henüz tamamladı. Bu çaba, füzyon için koşulların yaratılmasına ilişkin bir Ulusal Akademiler raporuyla başlatıldı ve bir füzyon pilot tesisi tasarlamaya ve inşa etmeye odaklanan birkaç raporla (topluluk fikir birliği raporu, bir FESAC raporu ve hızlı takip edilen bir Ulusal Akademiler raporu) sonuçlandı. 2035 yılına kadar elektrik üretimini göstermek.

Bu, ABD'deki füzyon enerjisi araştırmaları için cesur ve heyecan verici bir yöndür ve teknolojideki son gelişmelerle desteklenmektedir. Araştırmacılar, lazer teknolojisindeki büyük ilerlemelerin yanı sıra daha verimli ve kompakt tokamaklar yaparak füzyon koşullarını yaratmada büyük ilerlemeler kaydettiler. Eklemeli ve gelişmiş üretimdeki ilerlemeler, zorlu füzyon ortamında hayatta kalmak için yeni malzemelerin kullanılmasına ve karmaşık yapıların tasarımına olanak tanır. Yüksek performanslı, üst ölçekli hesaplama, füzyon pilot tesislerinde performansı tasarlamak ve tahmin etmek için tüm füzyon reaktörlerinin modellenmesini sağlar. Yüksek sıcaklıklı süper iletkenler, füzyon gücü söz konusu olduğunda oyunun kurallarını değiştirebilecek daha kompakt reaktörlere erişim sağlar. Özel şirketlerden gelen ilgi ve yatırım, iklim değişikliğine bir çözüm olarak füzyonun gerçekleştirilmesi söz konusu olduğunda gerekli ortakları sağlar. Ve ufukta, cihazı çalıştırmak için kullanılandan daha fazla enerji üretebileceğimizi göstermek için tasarlanmış ilk füzyon cihazı olan ITER'nin çalışması var, kendi kendini idame ettiren bir füzyon reaksiyonunun bir gösterimi.

Kısa bir süre önce, füzyon alanında MIT ve Commonwealth Fusion Systems'ın yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerini başarılı bir şekilde göstermeleri ve lazer füzyonda rekor kıran verimler elde eden Ulusal Ateşleme Tesisi ile iki büyük atılım oldu.

“Füzyon enerjisi gelişimi için fon artmaya devam ederse, evet, füzyon gelecekte dünyaya güç verecek. 1990'lardan bu yana, Amerika Birleşik Devletleri'nde füzyon araştırmaları için fon, bir enerji kaynağının geliştirilmesi için değil, füzyon bilimi için olmuştur.”

Daniel Andruczyk

Doçent Araştırma Profesörü, Nükleer, Plazma ve Radyoloji Mühendisliği, Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi

Füzyondaki en yaygın şaka, son 50 yılda her yıl 50 yıl geçmiş olmasıdır. Ama bu sefer gerçekten yakınlaştığımızı düşünüyorum.

Potansiyel olarak, önümüzdeki 20-30 yıl içinde, bir güç kaynağı olarak füzyon teknolojisinin gerçekçi bir gösterimine sahip olacağız. Fransa'daki Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (ITER) bu hedefe doğru büyük bir basamak olacak. Bu, füzyonu q=1'in üzerine çıkarma yeteneğimizin ilk gösterimi olacak - yani, çıkış enerjisinin füzyon reaksiyonunu başlatmak için ihtiyaç duyduğumuz giriş enerjisine eşit olduğu başabaş noktasına ulaşma yeteneğimizin ilk gösterimi olacak. Ama aynı zamanda bunun çok ötesine geçmek, yani 10 kat daha fazla enerji çıkışı elde etmek üzere tasarlanmıştır. Bu, 50 megawatt ısıtma gücü girişi ile 500 megawatt füzyon gücü elde edeceğiniz anlamına gelir.

Açık olmak gerekirse, bu “çıkış gücü” şebekeye gitmeyecek veya elektrik üretmeyecek. Elektriği göstermiyoruz - sadece gerçekten bir plazma alabileceğimizi ve bunu yapmak için ihtiyaç duyduğumuz nükleer reaksiyonları üretebileceğimizi gösteriyoruz.

Oradan sonraki adım, bir pilot tesisi kurmak ve çalıştırmaktır: şebekeye güç vermenin ilk gösterimi. Ulusal Bilimler Akademisi, 2050 yılına kadar ABD'de bu noktaya gelmemiz gerektiğini söyleyen bir rapor yayınladı. Çılgın bir şey hedeflemiyoruz - şebekeye yalnızca 20 megavatlık güç - ama bir yerden başlamamız gerekiyor.

Dışarıda daha büyük tasarımlar var: Avrupa ve Japonya'da bilim adamları, 1-2 gigawatt üretmek için tasarlanmış ve yasal olarak şehirlere güç sağlayabilecek DEMOnstration Santrali adlı bir makineye bakıyorlar. Teoride, bunun nasıl çalışması gerektiğini biliyoruz, ancak teknoloji henüz tam olarak gelişmedi. Buradaki bir zorluk, bu füzyon reaktörlerini inşa etmek için ihtiyaç duyduğunuz malzemelerin, yani bu makinelerin içinde yarattığımız cehennem koşullarında hayatta kalabilen malzemelerin son derece pahalı olmasıdır. O halde, ilerlemeye devam eden sorunun bir kısmı şudur: Bu şeyleri malzemelere daha uygun olacak şekilde tasarlayabilir miyiz? Bu çok büyük bir şey ve tamamen anlaşılmadı.

"Buradaki bir zorluk, bu füzyon reaktörlerini inşa etmek için ihtiyaç duyduğunuz malzemelerin - yani bu makinelerin içinde yarattığımız cehennem koşullarında hayatta kalabilen malzemelerin - son derece pahalı olmasıdır."

Derek Sutherland

Füzyon enerjisinin geliştirilmesine adanmış bir şirket olan CTFusion, Inc.'in Kurucu Ortağı ve CEO'su

Bir füzyon bilimcisi olarak biraz önyargılıyım ama cevabım şu: evet, elbette.

Bu, bir bütün olarak alan için çok heyecan verici bir zaman olur. 50 yılı aşkın bir süredir, esas olarak Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen araştırma ve geliştirme yoluyla, ancak önemli uluslararası katkılarla da füzyon enerjisinin bilimsel temellerini oluşturmak için çalışıyoruz.

Bu temel şimdi yerinde ve bir dizi özel füzyon şirketi, uygulanabilir bir ticari enerji kaynağı geliştirme ve onu gerçekten şebekeye alma umuduyla bunun üzerine inşa ediyor. Birçok şirket 2030'lar için ilk ticari birimleri planlarken, on yıl içinde net kazanç operasyonu gösterecek. Yani bu artık kalıcı “geleceğin enerjisi” değil – (nispeten) yakında burada olacak.

Her yeni teknolojide olduğu gibi, en büyük zorluk ilkini oluşturmaktır; bundan sonra, asıl zorluk, pazar payını gerçekten yakalamak için üretimi ölçeklendirmek oluyor. Umarım, 2030'ların sonunda ve yüzyılın ortasına girerken, pazar payının büyüdüğünü, umarım fosil yakıt üretiminin ve geleneksel nükleer enerjinin yerini aldığını ve temel olarak hedefimiz olan karbonsuzlaştırmayı yapmak için rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir kaynaklarla birlikte çalıştığını göreceksiniz. Burada, iklim değişikliği için.

Teknik riskler devam etmektedir. Ancak toplamda, bu risk plazma fiziği ve çekirdek teknolojisi kadar azalıyor; şimdi odağımızı bu sistemlerin mühendisliğine kaydırıyoruz. Bu, ısı değişimleri, türbinler ve sıkıştırmalar gibi teknolojileri içerir. Bunu yüzlerce yıldır ısı motorlarıyla yaptık, bu yüzden nasıl çalıştığını biliyoruz - sadece onu bir füzyon ısı kaynağı için özelleştirmemiz gerekiyor.

Dolayısıyla, yapılacak çok iş var - ama giderek daha da yakınlaşıyoruz.

"Bir füzyon bilimcisi olarak biraz önyargılıyım ama cevabım şu: evet, elbette."

Carlos Romero-Talamas

Doçent, Makine Mühendisliği, Maryland Üniversitesi, Baltimore County

Cevap evet, füzyon sonunda dünyanın enerji ihtiyacının çoğuna güç sağlayacak. Son 60 yılda, füzyon enerjisinin uygulanabilir bir enerji kaynağı olma yeteneği konusunda şüphecilik ve sinizm olmuştur. "Füzyon sadece 20 yıl uzakta... ve her zaman olacak" diye devam eden bir şaka var. (Fıkradaki yıllar, kime sorduğunuza bağlı olarak değişir, ancak ana nokta aynıdır.) Füzyon araştırmalarının ilk günlerinde, gerçekten de yüksek düzeyde bir iyimserlik vardı, ancak on yıllar boyunca füzyon olmadan, bunun gibi şakalar yok. sürpriz. Bununla birlikte, füzyon araştırmalarında görünen ilerleme eksikliğini daha iyi anlamak için, füzyon finansmanının tarihine ve bu finansmanın nasıl değiştiğine ve hatta uzun süreler boyunca durduğuna bakmak gerekir. 1970'lerde dünya çapında füzyon finansmanı beş kat arttı, ancak 1980'lerde azalmaya başladı ve 2000'lerin ortalarında minimuma ulaştı. Finansmandaki belirgin inişler ve çıkışlar, deneylerin sürekliliğini ve deneyimli personeli elde tutmayı zorlaştırdı, ancak genel finansman eğilimi nihayet yukarı doğru ve hızlanmaya hazır.

Füzyon enerjisiyle çalışan bir enerji reaktörüne sahip olmak için, kafa kafaya çarpışabilmeleri ve kaynaşabilmeleri (ve bu süreçte çok büyük miktarda enerji salabilmeleri) için yeterince yüksek sıcaklıkta hapsedilmiş yeterli parçacıklara ihtiyacınız vardır. Buna üçlü ürün adı verilir: yoğunluk, sıcaklık ve hapsetme süresi ve farklı reaktör konseptlerinde net enerji kazanımına yönelik ilerlemeyi karşılaştırmak için kullanılabilir. Şimdiye kadarki en iyi üçlü ürün performansına sahip halka şeklindeki makineler olan Tokamaks, çok kısa sürelerde de olsa net kazanç koşullarını 25 yılı aşkın bir süre önce elde etti. Bu makineler tasarlandığı gibi gerçekleştirildi ve yüksek net enerji kazançlı ticari reaktörlerin nihai hedefine doğru bir ara adım olması gerekiyordu. Bir sonraki doğal adım, uzun süreler boyunca net kazanç elde edecek olan tokamakları finanse etmekti. Ancak, Avrupa Birliği, ABD, Rusya, Kore, Japonya, Hindistan ve Çin'in böyle bir makineyi (şimdi ITER olarak adlandırılıyor) yapmayı kabul etmesi 2006 yılına kadar sürdü. ITER'deki ilk deneylerin, başlangıçta 2016 için planlanmış olmasına rağmen, önümüzdeki dört yıl içinde yapılması bekleniyor. Bu gecikmelerin nedenleri bilimsel değil, büyük ölçüde politik. İyi haber şu ki, tüm bu zaman içinde, mevcut makinelerde simülasyon ve deneyler yoluyla tokamak modelleme ve anlayışımız gelişti ve ITER'in belirtilen hedeflerine ulaşacağına dair yüksek bir güven var. Tıpkı satın aldığımız bilgisayarlarda ve cep telefonlarında olduğu gibi, füzyonla ilgili deneyler için bilgisayar simülasyonları ve tanılamaları, yalnızca birkaç yıl öncesine kıyasla çok daha iyi ve uygun maliyetli hale geldi ve karmaşık fizik modellerinin giderek artan ayrıntı düzeyiyle iyileştirilmesini sağladı.

Nihai bir füzyon reaktörü, boyutu ve maliyeti onu ticari olarak çekici kılabileceğinden, ITER gibi görünmeyebilir. Bununla birlikte, süper iletken mıknatıslar (bir tokamak füzyon reaktöründe gerekli) gibi kritik teknolojilerde, sadece 10 yıl öncesine göre çok daha iyi sınırlamaya olanak sağlayacak önemli gelişmeler olmuştur. Bu, uygun maliyetli ve piyasaya daha kısa bir yoldan sahip olabilecek daha küçük füzyon reaktörlerini mümkün kılacaktır. İklim değişikliğini ele almanın ve enerji kaynaklarımızı karbondan arındırmanın aciliyeti, füzyon enerjisi araştırmalarının finansmanına olan ilgiyi yeniden artırdı.

Ticari birleşme peşinde olan özel şirketlerin sayısı artmaya devam ediyor ve son 20 yılda hem kamu hem de özel yatırımcılar tarafından bu şirketlere yüz milyonlarca dolar akıtıldı. Bu yeni girişimlerin çoğu, tokamak'tan farklı konseptlere dayanıyor ve başarılı olursa, bunlar, büyük elektrik jeneratörlerinden küçük nakliye gemilerine kadar her şeye güç sağlayabilecek füzyon reaktörü seçenekleri yelpazesine eklenecek. Tüm kavramlar için ortak birçok teknoloji orada test edileceğinden, ITER sonuçları tüm füzyon araştırma topluluğu için çok önemli olacaktır. Mühendislik, düzenleme ve kamu kabulü dahil olmak üzere ilk ticari reaktöre ulaşmadan önce yapılacak çok iş olsa da, bu hedefe yönelik geliştirme ve finansman hızı hızlanıyor. Bu noktada mesele, dünyamıza güç sağlamak için füzyon reaktörlerine sahip olup olmayacağımız değil, onları ne kadar çabuk ekonomik ve ticari olarak uygulanabilir hale getirebileceğimiz meselesidir.

“Finansmandaki belirgin iniş ve çıkışlar, deneylerin sürekliliğini ve deneyimli personeli elde tutmayı zorlaştırdı, ancak genel finansman eğilimi nihayet yukarı doğru ve hızlanmaya hazır.”

Omar A. Hurricane

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda Atalet Hapsi Füzyon Programı Baş Bilim İnsanı

Uzak gelecekte, füzyon muhtemelen dünyaya güç sağlayan enerji karışımının bir parçası olacak. Önümüzdeki birkaç on yılda, en azından, füzyonun bir rol oynamasını beklemenin gerçekçi olduğunu düşünmüyorum. Son on yılda füzyon araştırmalarında büyük ilerleme kaydedilmiş olsa da, bilimsel başabaş noktasına yaklaşırken, füzyonu enerji üretimi için pratik hale getirmek başabaştan çok daha fazla enerji kazanımı alacaktır. Neden bu kadar uzun? Fisyon gücü gibi bilinen eski teknolojilerde bile, bir enerji santrali inşa etmek en az on yıl sürer. Şimdilik, füzyon hala bir bilim deneyidir.

Kaynak: Gizmodo