Oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) au reușit fuziune aprindere și energie pragul de rentabilitate. Pe 5th În decembrie 2022, echipa de cercetare a efectuat un experiment de fuziune controlată folosind lasere, când 192 de fascicule laser au livrat mai mult de 2 milioane de jouli de energie UV către o pelete de combustibil minuscul din camera țintă criogenică și a atins pragul de rentabilitate, ceea ce înseamnă că experimentul de fuziune a produs mai multă energie decât furnizate de laser pentru a-l conduce. Această descoperire a fost realizată pentru prima dată în istorie după decenii de muncă grea. Aceasta este o piatră de hotar în știință și are implicații semnificative pentru perspectiva unei energii curate de fuziune în viitor către o economie cu zero carbon net, pentru combaterea schimbărilor climatice și pentru menținerea descurajării nucleare fără a recurge la teste nucleare pentru apărarea națională. Mai devreme, pe 8thÎn august 2021, echipa de cercetare a atins pragul de aprindere prin fuziune. Experimentul a produs mai multă energie decât orice alt experiment anterior de fuziune, dar pragul de rentabilitate energetic nu a fost atins. Cel mai recent experiment efectuat pe 5th Decembrie 2022 a realizat pragul de rentabilitate energetică, oferind astfel o dovadă a conceptului că fuziunea nucleară controlată poate fi exploatată pentru a satisface nevoile energetice, deși aplicarea practică a energiei de fuziune comercială poate fi încă foarte îndepărtată.
Nuclear reacțiile produc cantități mari de energie echivalentă cu cantitatea de masă pierdută, conform ecuației de simetrie masă-energie E=MC2 lui Einstein. Reacțiile de fisiune care implică descompunerea nucleelor de combustibil nuclear (elemente radioactive precum uraniul-235) sunt utilizate în prezent în reactoarele nucleare pentru generarea de energie. Cu toate acestea, reactoarele bazate pe fisiune nucleară prezintă riscuri umane și de mediu mari, așa cum este evident în cazul de la Cernobîl, și sunt renumite pentru generarea de deșeuri radioactive periculoase cu perioade de înjumătățire foarte lungă, care sunt extrem de dificil de eliminat.
În natură, stelele ca soarele nostru, fuziune nucleară care implică fuziunea nucleelor mai mici de hidrogen este mecanismul de generare a energiei. Fuziunea nucleară, spre deosebire de fisiunea nucleară, necesită temperatură și presiune extrem de ridicate pentru a permite nucleelor să se fuzioneze. Această cerință de temperatură și presiune extrem de ridicată este îndeplinită la miezul soarelui, unde fuziunea nucleelor de hidrogen este mecanismul cheie al generării de energie, dar recrearea acestor condiții extreme pe pământ nu a fost posibilă până acum într-o stare controlată de laborator și, ca rezultat, reactoarele de fuziune nucleară nu sunt încă o realitate. (Fuziunea termonucleară necontrolată la temperatură și presiune extremă creată de declanșarea dispozitivului de fisiune este principiul din spatele armei cu hidrogen).
Arthur Eddington a fost cel care a sugerat pentru prima dată, încă din 1926, că stelele își trag energia din fuziunea hidrogenului în heliu. Prima demonstrație directă a fuziunii nucleare a fost în laborator în 1934, când Rutherford a arătat fuziunea deuteriului în heliu și a observat că „a fost produs un efect enorm” în timpul procesului. Având în vedere potențialul său uriaș de a furniza energie curată nelimitată, au existat eforturi concertate din partea oamenilor de știință și inginerilor din întreaga lume pentru a reproduce fuziunea nucleară pe Pământ, dar a fost o sarcină dificilă.
La temperaturi extreme, electronii se separă de nuclee, iar atomii devin gaz ionizat format din nuclee pozitive și electroni negativi, ceea ce numim plasmă, care este de o milioneme de ori mai puțin densă decât aerul. Asta face fuziune mediu foarte slab. Pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc într-un astfel de mediu (care ar putea produce o cantitate apreciabilă de energie), ar trebui îndeplinite trei condiții; ar trebui să existe o temperatură foarte ridicată (care ar putea provoca coliziuni de mare energie), ar trebui să existe o densitate suficientă a plasmei (pentru a crește probabilitatea de coliziuni) și plasma (care are tendința de a se extinde) ar trebui să fie închisă pentru o perioadă suficientă de timp pentru a permite fuziunea. Acest lucru face ca dezvoltarea infrastructurii și a tehnologiei pentru a reține și controla plasma fierbinte se concentrează. Câmpurile magnetice puternice ar putea fi folosite pentru a trata plasma, ca în cazul Tokamak de la ITER. Limitarea inerțială a plasmei este o altă abordare în care capsulele pline cu izotopi grei de hidrogen sunt implodate folosind fascicule laser de înaltă energie.
Fusion studies conducted at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) of NIF employed laser-driven implosion techniques (inertial confinement fusion). Basically, millimetre-sized capsules filled with deuterium and tritium were imploded with high-power lasers which generate x-rays. The capsule gets heated and turn into plasma. The plasma accelerates inwards creating extreme pressure and temperature conditions when fuels in the capsule (deuterium and tritium atoms) fuse, releasing energy and several particles including alpha particles. The released particles interact with the surrounding plasma and heat it up further leading to more fusion reactions and release of more ‘energy and particles’ thus setting up a self-sustaining chain of fusion reactions (called ‘fusion ignition’).
Comunitatea de cercetare a fuziunii a încercat de câteva decenii să realizeze „aprinderea prin fuziune”; o reacție de fuziune autosusținută. Pe 8th În august 2021, echipa Lawrence Laboratory a ajuns în pragul „aprinderii prin fuziune”, pe care l-au atins pe 5th Decembrie 2022. În această zi, aprinderea prin fuziune controlată pe Pământ a devenit o realitate – o piatră de hotar în știință atinsă!
***
