Fem muliggjørende teknologier som en fusjonsindustri vil trenge

Fusjonsenergi trenger mer enn en vedvarende fusjonsreaksjon før den kan hjelpe verden med å produsere tilstrekkelig karbonnøytral energi. Det amerikanske energidepartementet har identifisert en forsknings- og utviklingsagenda for en rekke teknologier og prosesser for å muliggjøre fusjon.

To DOE-tjenestemenn navnga fem av disse pressende teknologiene i en webinar Torsdag arrangert av National Academies of Science, Engineering and Medicine (NASEM). Flere er dekket i en 2021 NASEM rapporterer som oppfordrer til rask utvikling av fusjonsaktiverende teknologi:

"Selv om dette ofte utsettes for fremtiden, driver målet om økonomisk fusjonsenergi i løpet av de neste tiårene, som en amerikansk strategisk interesse, behovet for raskt å øke forskningen og utviklingen av muliggjørende materialer, komponenter og kjernefysiske fusjonsteknologier."

De fem uthevede torsdagene inkluderer:

1 Fusjonssikre materialer

Plasmaet der fusjonsreaksjonen oppstår kan være varmere enn solen. Et kraftig magnetfelt eller treghet kan begrense plasmaet, bufre det fra reaktorvegger og komponenter, men fusjonsreaktorer vil likevel kreve materialer som kan håndtere ekstrem varme og bombardement av nøytroner som løsnes når hydrogenisotoper forvandles til helium.

For å teste potensielle materialer, må forskere produsere forhold som ligner på en fusjonsreaksjon.

"Det er et stort behov for en fusjonsprototypisk nøytronkilde for å kunne samle materialdata, noe som kan ta mange års eksponering," sa Scott Hsu, DOEs ledende fusjonskoordinator. Mens den nøytronkilden er under utvikling, la han til, kan maskinlæring og materialtesting bidra til å begrense antallet kandidatmaterialer.

Det er også potensiale for å unngå materialer helt ved å bruke "virkelig transformerende første vegg- og teppedesign, der du kanskje ikke engang har noe solid materiale vendt mot plasmaet, og som nesten omgår spørsmålet om materialer," sa Hsu. "Og vi trenger å holde disse ideene på bordet."

2 En tritiumoppdretter

De vanligste fusjonsreaktordesignene bruker to isotoper av hydrogen - deuterium (²H) og Tritium (³H)—som drivstoff.

"Hvis vi skal bruke en deuterium-tritium drivstoffsyklus, er vi nødt til å trekke ut varmen og avle tritium," sa Richard Hawryluk, senior teknisk rådgiver ved DOE Office of Science og leder av NASEM-rapporten for 2021 .

"En spesiell utfordring er behovet for å lukke drivstoffsyklusen på en sikker og effektiv måte," heter det i rapporten, "som for deuterium-tritium-fusjonsdesign innebærer utvikling av tepper for å avle og utvinne tritium, så vel som drivstoff, utmatting, inneslutning, ekstrahering og separering av tritium i betydelige mengder."

3 Et eksosanlegg

Noe av den ufattelige varmen som produseres i en fusjonsreaksjon vil bli brukt til å produsere strøm, men først må den administreres, og din standard kjøkkenvifte holder ikke.

"Et fullstendig forskningsprogram vil kreve testanlegg som produserer miljøer som i økende grad ligner på et fusjonskraftverk for å vurdere reaktorrelevant krafteksoshåndtering i fusjonsnøytronmiljøet," heter det i NASEM-rapporten.

4 mer effektive lasere

DOEs National Ignition Facility (NIF) feiret en lenge etterlengtet prestasjon i desember da den utløste en fusjonsreaksjon som frigjorde mer energi (3.15 megajoule) enn strålene fra laseren som antente den (2.05 megajoule). Men det tok 300 megajoule å drive laseren.

Etter hvert vil slike lasere, etter oppstart, drives av elektrisitet fra fusjonsreaktoren. Men mer effektive lasere betyr mer effektive reaktorer, som gir mer strøm til brukeren eller nettet.

5 Repetisjon

Det er ikke nok for at laseren skal være effektiv. Den må også fungere mindre som en muskett og mer som en maskingevær.

"Det fantastiske resultatet på NIF," sa Hawryluk, "vi kom til det punktet ved å gjøre noen få skudd per år. Du må være i stand til å komme til et punkt hvor du tar noen få skudd per sekund, eller et skudd per sekund, så det er også repetisjonsfrekvensen vi må mestre.»

Det øker repetisjonsfrekvensen for hvert trinn i prosessen, og starter med drivstoffkapselen. I følge journalen Vitenskap, "En million kapsler om dagen må lages, fylles, plasseres, sprenges og ryddes bort - en stor ingeniørutfordring."

MER FRA FORBESFusion er i ferd med å bli en må-ha-investering, sier DOE-offisielleBy Jeff McMahon