ห้าเทคโนโลยีการเปิดใช้งานที่อุตสาหกรรมฟิวชั่นต้องการ

พลังงานฟิวชันต้องการมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชันที่ต่อเนื่องก่อนที่จะสามารถช่วยให้โลกผลิตพลังงานที่เป็นกลางคาร์บอนได้เพียงพอ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้กำหนดวาระการวิจัยและพัฒนาสำหรับชุดเทคโนโลยีและกระบวนการต่างๆ เพื่อทำให้เกิดการหลอมรวม

เจ้าหน้าที่ DOE สองคนเสนอชื่อเทคโนโลยีเร่งด่วนห้ารายการใน webinar วันพฤหัสบดี จัดโดย National Academies of Science, Engineering and Medicine (NASEM) ครอบคลุมมากขึ้นใน NASEM ปี 2021 รายงาน ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีที่รองรับการหลอมรวม:

“แม้ว่าสิ่งนี้มักจะถูกเลื่อนออกไปสำหรับอนาคต แต่เป้าหมายของพลังงานฟิวชันที่ประหยัดภายในหลายทศวรรษข้างหน้าเนื่องจากความสนใจเชิงกลยุทธ์ของสหรัฐฯ ผลักดันให้เกิดความจำเป็นที่จะต้องเพิ่มการวิจัยและพัฒนาวัสดุ ส่วนประกอบ และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชันอย่างรวดเร็ว”

ห้าวันพฤหัสบดีที่เน้น ได้แก่:

1 วัสดุป้องกันการหลอมละลาย

พลาสมาที่เกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้ ร้อนแรงกว่าดวงอาทิตย์. สนามแม่เหล็กหรือความเฉื่อยที่มีกำลังสูงสามารถจำกัดพลาสมา กั้นพลาสมาจากผนังและส่วนประกอบของเครื่องปฏิกรณ์ แต่กระนั้นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันก็ยังต้องการวัสดุที่สามารถจัดการกับความร้อนสูงและการทิ้งระเบิดโดยนิวตรอนที่ปล่อยออกมาเมื่อไอโซโทปของไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นฮีเลียม

ในการทดสอบวัสดุที่มีศักยภาพ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสร้างสภาวะที่คล้ายกับปฏิกิริยาฟิวชัน

“มีความจำเป็นอย่างมากสำหรับแหล่งกำเนิดนิวตรอนต้นแบบฟิวชันเพื่อให้สามารถรวบรวมข้อมูลวัสดุได้ ซึ่งอาจใช้เวลาหลายปีในการสัมผัส” Scott Hsu หัวหน้าผู้ประสานงานฟิวชันของ DOE กล่าว ในขณะที่แหล่งกำเนิดนิวตรอนนั้นอยู่ในระหว่างการพัฒนา เขากล่าวเสริมว่าการเรียนรู้ของเครื่องและการทดสอบวัสดุสามารถช่วยจำกัดจำนวนของวัสดุที่ต้องการได้

นอกจากนี้ยังมีศักยภาพในการหลีกเลี่ยงวัสดุทั้งหมดโดยใช้ "การออกแบบผนังและผ้าห่มแบบแรกที่เปลี่ยนแปลงอย่างแท้จริง ซึ่งคุณอาจไม่มีวัสดุที่เป็นของแข็งหันหน้าเข้าหาพลาสมาด้วยซ้ำ และนั่นเกือบจะหลีกเลี่ยงปัญหาของวัสดุ" Hsu กล่าว “และเราจำเป็นต้องเก็บความคิดเหล่านั้นไว้บนโต๊ะ”

2 ผู้เพาะพันธุ์ไอโซโทป

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่พบมากที่สุดใช้ไอโซโทปไฮโดรเจนสองไอโซโทป—ดิวทีเรียม (²H) และไอโซโทป (³H)—เป็นเชื้อเพลิง

Richard Hawryluk ที่ปรึกษาด้านเทคนิคอาวุโสของสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE และประธานรายงาน NASEM ประจำปี 2021 กล่าวว่า "ถ้าเราจะใช้วงจรเชื้อเพลิงดิวเทอเรียม-ทริเทียม .

“ความท้าทายโดยเฉพาะคือความจำเป็นในการปิดวัฏจักรเชื้อเพลิงอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ” รายงานดังกล่าวระบุ “ซึ่งสำหรับการออกแบบฟิวชันดิวทีเรียม-ทริเทียมนั้นเกี่ยวข้องกับการพัฒนาผ้าห่มเพื่อเพาะและสกัดไอโซโทป การสกัดและแยกไอโซโทปในปริมาณที่มีนัยสำคัญ”

3 ระบบไอเสีย

ความร้อนที่กินลึกไม่ได้บางส่วนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาฟิวชันจะถูกนำไปใช้เพื่อผลิตพลังงาน แต่ก่อนอื่นต้องจัดการก่อน และพัดลมในครัวมาตรฐานของคุณจะไม่ทำงาน

“โครงการวิจัยเต็มรูปแบบจะต้องมีสิ่งอำนวยความสะดวกในการทดสอบที่สร้างสภาพแวดล้อมที่คล้ายกับโรงไฟฟ้าฟิวชันมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อประเมินการจัดการพลังงานไอเสียที่เกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์ในสภาพแวดล้อมนิวตรอนฟิวชัน” รายงานของ NASEM ระบุ

4 เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

National Ignition Facility (NIF) ของ DOE ฉลองความสำเร็จที่ตามหามานานในเดือนธันวาคม เมื่อมันจุดประกายปฏิกิริยาฟิวชันที่ปล่อยพลังงานออกมามากกว่า (3.15 เมกะจูล) มากกว่าลำแสงจากเลเซอร์ที่จุดมัน (2.05 เมกะจูล) แต่เลเซอร์ใช้พลังงาน 300 เมกะจูล

ในที่สุด เลเซอร์ดังกล่าวจะถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันหลังจากเริ่มทำงาน แต่เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นหมายถึงเครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้ผู้ใช้หรือกริดมีพลังงานมากขึ้น

5 การทำซ้ำ

แค่เลเซอร์ยังมีประสิทธิภาพไม่พอ นอกจากนี้ยังต้องใช้งานน้อยกว่าปืนคาบศิลาและเหมือนปืนกล

“ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมที่ NIF” Hawryluk กล่าว “เราไปถึงจุดนั้นด้วยการยิงไม่กี่นัดต่อปี คุณต้องไปให้ถึงจุดที่คุณทำได้สองสามช็อตต่อวินาที หรือหนึ่งช็อตต่อวินาที ดังนั้น อัตราการทำซ้ำก็เช่นกันที่เราต้องเชี่ยวชาญ”

ซึ่งจะเพิ่มอัตราการทำซ้ำสำหรับทุกขั้นตอนในกระบวนการ โดยเริ่มจากแคปซูลเชื้อเพลิง ตามที่วารสาร วิทยาศาสตร์“หนึ่งล้านแคปซูลต่อวันจะต้องมีการผลิต บรรจุ วางตำแหน่ง ระเบิด และกำจัดออกไป ซึ่งเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมครั้งใหญ่”

เพิ่มเติมจาก FORBESฟิวชั่นกำลังจะกลายเป็นการลงทุนที่ต้องมี เจ้าหน้าที่ DOE กล่าวBy เจฟฟ์ แมคมาฮอน