Per la prima volta nella storia umana! Il “sole artificiale” ha raggiunto un importante passo avanti e l’energia solare del petrolio potrebbe essere completamente eliminata

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Dopo decenni, è finalmente arrivata la pietra miliare della fusione nucleare controllata.

Per la prima volta nella storia, gli esseri umani hanno raggiunto una fusione nucleare controllabile in cui l’energia in uscita è maggiore dell’energia in ingresso.

Questo processo è chiamato “accensione”.

Il primo progresso energetico significativo nella storia umana è stato il controllo e l’utilizzo del fuoco.

Ora solleviamo di nuovo la torcia, in modo che il sole artificiale non sia più una fantasia.

Pietra miliare in decenni, grande passo per il “sole artificiale”

Il 13 dicembre, il Lawrence Livermore National Laboratory della California ha annunciato di aver raggiunto con successo per la prima volta il “guadagno netto di energia” (ovvero l’energia prodotta supera l’energia consumata) in una reazione di fusione nucleare, sulla strada della fusione nucleare controllata. un passo avanti.

Questi termini poco familiari possono confondere le persone.Comprendiamo prima il concetto di “fusione nucleare controllabile”.

La fusione nucleare è la fusione di due nuclei più leggeri in un nucleo più pesante, rilasciando energia.

La reazione di fusione che si realizza più facilmente in natura è la fusione degli isotopi di idrogeno, deuterio e trizio.Questa reazione dura da 5 miliardi di anni sul Sole. Le stelle sono in realtà dispositivi naturali di fusione nucleare uno per uno.

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▲ Immagine da: istock

Rispetto alla fissione nucleare e alla combustione di combustibili fossili, la fusione nucleare presenta molti vantaggi:

Non emette carbonio e non produce radiazioni nucleari e scorie nucleari come la fissione nucleare; poiché la fusione nucleare richiede temperature estremamente elevate, una volta che la temperatura del combustibile scende, la reazione di fusione si fermerà automaticamente; una piccola tazza di combustibile a idrogeno può teoricamente essere utilizzato per una casa Fornire energia per centinaia di anni.

Pertanto, l’energia da fusione è una nuova fonte di energia quasi illimitata, pulita e sicura.

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▲ La fusione è la fonte di energia dell’universo, che si verifica nel nucleo del sole e delle stelle.

E se gli umani potessero replicare la reazione di fusione del sole in modo controllato?

Questa visione della fusione nucleare controllabile è comunemente nota come il “sole artificiale”.

L’obiettivo finale della fusione nucleare controllabile è consentire al deuterio, che esiste in grandi quantità nell’acqua di mare, di subire la fusione nucleare in condizioni di alta temperatura, per fornire agli esseri umani un flusso costante di energia pulita, per sostituire le materie prime fossili e l’energia nucleare convenzionale e consumare molte meno risorse rispetto all’energia solare ed eolica.

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▲ Reazione di fusione.

Tuttavia, la fusione nucleare del sole è vincolata dal campo gravitazionale fornito dalla sua stessa gravità, che non possiamo imitare sulla terra.Allo stesso tempo, l’alta temperatura e la pressione sul sole creano le condizioni necessarie per la reazione di fusione. .

La ricerca pertinente è iniziata nel 1950. Ciò che preoccupa gli scienziati è che le reazioni di fusione consumano enormi quantità di energia e come far superare l’energia prodotta a quella consumata. Ciò che è ancora più difficile è che l’energia deve essere emessa in modo continuo e stabile, non solo un fuoco di paglia.

Il 5 dicembre, il Lawrence Livermore National Laboratory, attraverso la tecnologia della “fusione a confinamento inerziale”, ha finalmente realizzato la reazione di fusione a “guadagno netto di energia”, un passo più vicino al sole artificiale.

I ricercatori hanno sparato 192 giganteschi raggi laser in una camera nera rivestita d’oro della lunghezza di una gomma, e l’intensa energia ha riscaldato il contenitore, che conteneva particelle di carburante delle dimensioni di grani di pepe, a più di 3 milioni di gradi Celsius.

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▲ Il “bersaglio” del laser è molto piccolo, ma la “camera bersaglio” è molto grande.

Il laser viene continuamente riflesso e riscaldato, producendo infine raggi X. I raggi X hanno staccato la superficie del grano, innescando un’implosione simile a un razzo che ha spinto le temperature e le pressioni a livelli estremi raggiungibili solo in stelle, pianeti giganti ed esplosioni nucleari e fusione del trizio .

Infine, per un istante che dura meno di un trilionesimo di secondo, l’energia dell’input laser è di 2,05 megajoule e l’energia dei neutroni prodotti dalla fusione è di 3,15 megajoule, quest’ultima divisa per la prima, e il guadagno energetico è maggiore di 1.

Elettricità sostenibile, ancora in un lontano futuro

Sebbene la reazione di fusione del “guadagno netto di energia” sia stata realizzata, c’è ancora molta strada da fare prima che possa essere praticata al di fuori dell’ambiente di laboratorio e persino messa in uso commerciale.

In primo luogo, il “guadagno netto di energia” riflette solo la reazione di fusione stessa, non i 300 megajoule necessari per alimentare il laser . L’efficienza di conversione da energia elettrica a laser è molto bassa e, se si calcola il rapporto tra energia elettrica in uscita e energia elettrica in ingresso, il guadagno di energia è inferiore a 1.

In secondo luogo, ricreare questa reazione di fusione sulla scala necessaria per la produzione di energia richiede enormi risorse.

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▲ Il National Ignition Facility (NIF), il laser più grande e potente del mondo.

E gli ingegneri devono ancora sviluppare le macchine che distribuiranno l’energia generata alla rete.

Pertanto, la fusione nucleare è ancora lontana almeno dieci anni dall’uso commerciale, e potrebbero passare decenni, e le centrali elettriche sono anche lontane.

Al momento, il laser del Lawrence Livermore National Laboratory viene attivato solo una volta al giorno e il costo è troppo alto per costruire una centrale elettrica funzionante in breve tempo.

In una conferenza stampa, il direttore di Lawrence Livermore, Kim Budil, ha affermato che il lancio ha rappresentato un’accensione a fusione, ma è necessario fare molto di più per ottenere la generazione di energia da fusione commerciale, comprese “molte accensioni a fusione al minuto”.

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▲ Rappresentazione artistica della fusione nucleare.

Allo stesso modo, la fusione nucleare non può essere inserita nella protezione del clima in tempi brevi.

Julio Friedmann, esperto di tecnologia energetica, ha sottolineato che i risultati raggiunti ora sono molto importanti: se l’energia in uscita non è maggiore di quella in ingresso, non può essere una fonte di energia. Ma non contribuirà in modo significativo alla riduzione del clima per i prossimi 20-30 anni, che è la differenza tra accendere un fiammifero e costruire una turbina a gas.

Per limitare il riscaldamento alla “linea di sicurezza” di 1,5 gradi Celsius, dobbiamo raggiungere zero emissioni nette entro il 2050. Affidarsi alla fusione nucleare per sbarazzarsi della crisi climatica è un sogno lontano.

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Riccardo Betti, professore all’Università di Rochester ed esperto di fusione laser, ha paragonato questa svolta nella fusione nucleare alla prima volta che gli esseri umani hanno saputo raffinare il petrolio in benzina :

“Non hai ancora un motore, non hai ancora le gomme, non puoi dire di avere una macchina”.

L’umanità ha fatto un grande passo, ma potrebbero esserci decine di migliaia di passi avanti.

Per la prossima generazione di energia pulita, il mondo si sta preparando

Negli ultimi decenni, molti paesi hanno promosso la fusione nucleare controllata.

Il confinamento inerziale menzionato sopra è una delle due soluzioni tradizionali per realizzare una fusione nucleare controllabile, e l’altra è il confinamento magnetico.

In effetti, il confinamento magnetico è attualmente la direzione principale per i paesi per attaccare la fusione nucleare controllabile.Il dispositivo “tokamak” è il metodo più famoso di fusione nucleare a confinamento magnetico.

Tokamak è un dispositivo a forma di anello guidato da onde elettromagnetiche confinate per creare un ambiente e una temperatura ultra elevata per la fusione di deuterio e trizio e per ottenere il controllo umano delle reazioni di fusione.

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▲ Il reattore Ark “Iron Man” è una fusione nucleare controllabile.

Il reattore Ark in “Iron Man” è un po’ come un tokamak.Il reattore Ark alla Stark Industrial Base e il mini-reattore sul petto dell’armatura di Iron Man sono tutti “reattori a fusione (nucleare) a confinamento magnetico”.

Sebbene la tecnologia di fusione nucleare controllabile e il dispositivo tokamak siano nati per la prima volta all’estero, il nostro Paese si è reso conto che i ritardatari sono avanti e sono in prima linea nel mondo.

Il “sole artificiale” EAST della Cina, costruito nel 2006, è chiamato “Dispositivo sperimentale di fusione nucleare Tokamak a superconduttore completo”, noto anche come “Super anello orientale”. È stato costruito dall’Istituto di fisica del plasma dell’Accademia cinese delle scienze a Hefei, Anhui.

Alla fine del 2021, EAST ha raggiunto un funzionamento al plasma ad alto parametro a lungo impulso per 1056 secondi, durante i quali la temperatura dell’elettrone era di quasi 70 milioni di gradi Celsius, stabilendo un record per il tempo più lungo per il funzionamento al plasma ad alta temperatura di un dispositivo Tokamak a quel tempo.

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▲ EST.

Il 4 dicembre 2020 è stata completata una nuova generazione di dispositivo “sole artificiale” (HL-2M) progettato e costruito in modo indipendente dal CNNC Southwest Institute of Physics.

Nell’ottobre di quest’anno, HL-2M ha fatto una svolta : la corrente del plasma ha superato 1 milione di ampere (1 megaampere).

In futuro, il reattore a fusione Tokamak dovrà funzionare stabilmente a megaampere, pertanto questa svolta segna anche che il mio paese si sta avvicinando sempre di più all’accensione a fusione.

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▲HL-2M.

Il “sole artificiale” è un importante problema scientifico di grande interesse per il mondo.Di fronte alla prossima generazione di energia pulita, i paesi stanno collaborando con le parti interessate.Il più rappresentativo è l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), che è stato lanciato nel 2006. progetto.

Attualmente è uno dei progetti scientifici internazionali più grandi e di vasta portata al mondo, a cui hanno partecipato Cina, Unione Europea, Stati Uniti, Russia, Giappone, Corea del Sud, India e altri Stati membri.Il “sole artificiale” creato congiuntamente da tutti i paesi è Attualmente il più grande reattore a fusione nucleare del mondo si trova a Cadarache, nel sud della Francia.

L’assemblaggio del corpo di ITER dovrebbe essere completato nel 2025 e nei prossimi anni i componenti di ITER saranno trasportati da vari Stati membri a Karadashe. In quanto membro paritario, il mio paese si assume il 9,09% dei lavori nella fase di costruzione di ITER e gode del 100% del diritto di utilizzare i risultati tecnici di ITER.

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▲ Lo stato di costruzione di ITER nel 2018.

Il carbone, il petrolio e il gas naturale possono essere esauriti e causare inquinamento ambientale; l’energia eolica, l’energia idrica e l’energia solare sono limitate dalle condizioni meteorologiche o geografiche; elementi come l’uranio e il plutonio necessari per la fissione nucleare hanno riserve limitate e produrranno anche radioattività .

Al contrario, la tecnologia di fusione nucleare controllabile è un metodo energetico del futuro su cui tutta l’umanità ripone grandi speranze: è conosciuta come la “fonte di energia definitiva” perché può quasi risolvere i problemi energetici una volta per tutte. Quando viene effettivamente messo in uso commerciale, oltre ai benefici per il clima, può anche portare elettricità a basso costo nelle aree povere.

La prospettiva è luminosa, ma la strada è tortuosa, spero che nel prossimo futuro si possa assistere al sorgere del “sole artificiale”.

 

È benefico come il gelo autunnale e può eliminare i disastri malvagi. E-mail di lavoro: [email protected]

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