I århundraden, människor har drömt om att utnyttja solens kraft för att ge våra liv liv på jorden. Men vi vill gå längre än att samla solenergi, och en dag skapa vår egen från en mini-sol. Om vi ​​kan lösa en extremt komplex uppsättning vetenskapliga och tekniska problem, fusionsenergi lovar en grön, säker, obegränsad energikälla. Från bara ett kilo deuterium som utvinns ur vatten per dag kan komma tillräckligt med el för att driva hundratusentals hem.

Sedan 1950 -talet har vetenskaplig och teknisk forskning har genererat enorma framsteg mot att tvinga väteatomer att smälta samman i en självbärande reaktion-liksom en liten men påvisbar mängd fusionsenergi. Skeptiker och förespråkare noterar de två viktigaste återstående utmaningarna:att behålla reaktionerna under lång tid och utforma en materiell struktur för att utnyttja fusionskraften för el.

Som fusionsforskare vid Princeton Plasma Physics Lab, vi vet det realistiskt, det första kommersiella fusionskraftverket är fortfarande minst 25 år bort. Men potentialen för de stora fördelarna att komma fram under andra halvan av detta århundrade innebär att vi måste fortsätta arbeta. Stora demonstrationer av fusionens genomförbarhet kan åstadkommas tidigare - och måste, så att fusionskraft kan införlivas i planeringen för vår energiframtid.

Till skillnad från andra former av elproduktion, som sol, naturgas och kärnklyvning, fusion kan inte utvecklas i miniatyr och sedan helt enkelt skalas upp. De experimentella stegen är stora och tar tid att bygga. Men problemet med överflöd, Ren energi kommer att vara en viktig uppmaning för mänskligheten under nästa århundrade och därefter. Det vore dumdristigt att inte till fullo utnyttja denna mest lovande energikälla.

Varför fusionskraft?

I fusion, två kärnor i väteatomen (deuterium och tritiumisotoper) smälter samman. Detta är relativt svårt att göra:Båda kärnorna är positivt laddade, och därför stöta bort varandra. Endast om de rör sig extremt snabbt när de krockar kommer de att krossa ihop, smälta och därmed släppa den energi vi är ute efter.

Detta händer naturligt i solen. Här på jorden, vi använder kraftfulla magneter för att innehålla en extremt het gas av elektriskt laddade deuterium- och tritiumkärnor och elektroner. Det här heta, laddad gas kallas plasma.

Plasman är så varm - mer än 100 miljoner grader Celsius - att de positivt laddade kärnorna rör sig tillräckligt snabbt för att övervinna deras elektriska avstötning och säkring. När kärnorna smälter samman, de bildar två energirika partiklar – en alfapartikel (heliumatomens kärna) och en neutron.

Att värma plasma till en så hög temperatur kräver en stor mängd energi - som måste läggas i reaktorn innan fusionen kan börja. Men när det väl går, fusion har potential att generera tillräckligt med energi för att behålla sin egen värme, så att vi kan ta bort överskottsvärme för att omvandlas till användbar el.

Bränsle för fusionskraft är rikligt i naturen. Deuterium är rikligt i vatten, och själva reaktorn kan göra tritium från litium. Och den är tillgänglig för alla nationer, mestadels oberoende av lokala naturresurser.

Fusionskraften är ren. Det släpper inte ut några växthusgaser, och producerar endast helium och en neutron.

Det är säkert. Det finns ingen möjlighet till en flyktig reaktion, som en "smältning" av kärnklyvning. Snarare, om det är något fel, plasma svalnar, och fusionsreaktionerna upphör.

Alla dessa attribut har motiverat forskning i decennier, och har blivit ännu mer attraktiva med tiden. Men det positiva motsvaras av den betydande vetenskapliga utmaningen med fusion.

Framsteg hittills

Fusionens framsteg kan mätas på två sätt. Det första är det enorma framsteg i grundläggande förståelse för högtemperaturplasma. Forskare var tvungna att utveckla ett nytt fysikfält – plasmafysik – för att komma på metoder för att begränsa plasman i starka magnetfält, och sedan utveckla förmågan att värma, stabilisera, kontrollera turbulensen i och mäta egenskaperna hos den superheta plasman.

Relaterad teknik har också utvecklats enormt. Vi har skjutit gränserna i magneter, och elektromagnetiska vågkällor och partikelstrålar för att innehålla och värma plasma. Vi har också utvecklat tekniker så att material kan stå emot plasmans intensiva värme i pågående experiment.

Det är lätt att förmedla de praktiska mätvärdena som följer fusionens marsch till kommersialisering. Den främsta bland dem är fusionskraften som har genererats i laboratoriet:Fusionskraftsproduktion eskalerade från milliwatt i mikrosekunder på 1970 -talet till 10 megawatt fusionskraft (vid Princeton Plasma Physics Laboratory) och 16 megawatt i en sekund (vid Joint European Torus i England) på 1990 -talet.

Ett nytt kapitel inom forskning

Nu arbetar det internationella vetenskapliga samfundet tillsammans för att bygga en massiv fusionsforskningsanläggning i Frankrike. Kallas ITER (latin för "vägen"), denna anläggning kommer att generera cirka 500 megawatt termisk fusionskraft i cirka åtta minuter i taget. Om denna kraft omvandlades till el, det kan driva cirka 150, 000 hem. Som ett experiment, det kommer att tillåta oss att testa viktiga vetenskapliga och tekniska frågor som förberedelse för fusionskraftverk som kommer att fungera kontinuerligt.

ITER använder designen som kallas "tokamak, "ursprungligen en rysk förkortning. Det handlar om en munkformad plasma, begränsad i ett mycket starkt magnetfält, som delvis skapas av elektrisk ström som flyter i själva plasman.

Även om det är utformat som ett forskningsprojekt, och inte avsedd att vara en nettoproducent av elektrisk energi, ITER kommer att producera 10 gånger mer fusionsenergi än de 50 megawatt som behövs för att värma plasman. Detta är ett stort vetenskapligt steg, skapa den första "brinnande plasma, " där det mesta av energin som används för att värma plasman kommer från själva fusionsreaktionen.

ITER stöds av regeringar som representerar hälften av världens befolkning:Kina, europeiska unionen, Indien, Japan, Ryssland, Sydkorea och USA Det är ett starkt internationellt uttalande om behovet av, och lovar, fusionsenergi.

Vägen framåt

Härifrån, den återstående vägen mot fusionskraft har två komponenter. Först, vi måste fortsätta undersöka tokamak. Detta innebär att fysik och teknik utvecklas så att vi kan hålla plasma i ett stabilt tillstånd i flera månader i taget. Vi kommer att behöva utveckla material som tål en värmemängd som är lika med en femtedel av värmeflödet på solens yta under långa perioder. Och vi måste utveckla material som täcker reaktorkärnan för att absorbera neutronerna och föda upp tritium.

Den andra komponenten på vägen till fusion är att utveckla idéer som förbättrar fusionens attraktionskraft. Fyra sådana idéer är:

1. Använda datorer, optimera fusionsreaktorkonstruktioner inom fysik och ingenjörskonst. Utöver vad människor kan beräkna, dessa optimerade mönster ger vridna munkformer som är mycket stabila och kan fungera automatiskt i flera månader i rad. De kallas "stellaratorer" i fusionsbranschen.
2. Utvecklar nya supraledande magneter med hög temperatur som kan vara starkare och mindre än dagens bästa. Det gör att vi kan bygga mindre, och troligen billigare, fusionsreaktorer.
3. Med flytande metall, snarare än en fast, som materialet som omger plasma. Flytande metaller går inte sönder, erbjuder en möjlig lösning på den enorma utmaningen hur ett omgivande material kan bete sig när det kommer i kontakt med plasma.
4. Byggsystem som innehåller munkformade plasma utan hål i mitten, bildar en plasma formad nästan som en sfär. Några av dessa tillvägagångssätt kan också fungera med ett svagare magnetfält. Dessa "kompakta tori" och "lågfält" -metoder erbjuder också möjlighet till minskad storlek och kostnad.

Regeringens sponsrade forskningsprogram runt om i världen arbetar med elementen i båda komponenterna-och kommer att resultera i resultat som gynnar alla tillvägagångssätt för fusionsenergi (liksom vår förståelse av plasma i kosmos och industri). Under de senaste 10 till 15 åren har privatfinansierade företag har också anslutit sig till insatsen, särskilt på jakt efter kompakta tori och genombrott på låga fält. Framsteg kommer och det kommer att ge mycket, rena, säker energi med det.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.