Pela primeira vez na história da humanidade! O “sol artificial” alcançou um grande avanço e a energia solar do petróleo pode ser completamente eliminada
Depois de décadas, o marco da fusão nuclear controlada finalmente chegou.
Pela primeira vez na história, os humanos alcançaram a fusão nuclear controlável na qual a energia de saída é maior que a energia de entrada.
Este processo é chamado de "ignição".
O primeiro progresso energético significativo na história da humanidade foi o controle e a utilização do fogo.
Agora levantamos a tocha novamente, para que o sol artificial não seja mais uma fantasia.
Marco em décadas, grande passo para o "sol artificial"
Em 13 de dezembro, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore da Califórnia anunciou que havia alcançado com sucesso o "ganho de energia líquida" (ou seja, a energia produzida excede a energia consumida) em uma reação de fusão nuclear pela primeira vez, no caminho para a fusão nuclear controlada. um passo adiante.
Esses termos desconhecidos podem confundir as pessoas.Vamos primeiro entender o conceito de "fusão nuclear controlável".
A fusão nuclear é a fusão de dois núcleos mais leves em um núcleo mais pesado, liberando energia.
A reação de fusão mais facilmente realizada na natureza é a fusão dos isótopos de hidrogênio — deutério e trítio.Essa reação durou 5 bilhões de anos no Sol. As estrelas são, na verdade, dispositivos naturais de fusão nuclear, um por um.
▲ Foto de: istock
Comparada com a fissão nuclear e queima de combustíveis fósseis, a fusão nuclear tem muitas vantagens:
Não emite carbono e não produz radiação nuclear e resíduos nucleares como a fissão nuclear; porque a fusão nuclear requer temperaturas extremamente altas, uma vez que a temperatura do combustível cai, a reação de fusão irá parar automaticamente; um pequeno copo de combustível de hidrogênio pode teoricamente ser usado para uma casa Fornecer energia por centenas de anos.
Portanto, a energia de fusão é uma nova fonte de energia quase ilimitada, limpa e segura.
▲ A fusão é a fonte de energia do universo, que ocorre no núcleo do sol e das estrelas.
E se os humanos pudessem replicar a reação de fusão do sol de maneira controlada?
Essa visão de fusão nuclear controlável é comumente conhecida como "sol artificial".
O objetivo final da fusão nuclear controlável é permitir que o deutério, que existe em grandes quantidades na água do mar, sofra fusão nuclear sob condições de alta temperatura, para fornecer aos seres humanos um fluxo constante de energia limpa, para substituir matérias-primas fósseis e energia nuclear convencional , e consumir muito menos recursos do que energia solar e eólica. .
▲ Reação de fusão.
No entanto, a fusão nuclear do sol é limitada pelo campo gravitacional fornecido por sua própria gravidade, que não podemos imitar na Terra. Ao mesmo tempo, a alta temperatura e pressão no sol criam as condições necessárias para a reação de fusão. Compensação de temperatura .
Pesquisas relevantes começaram na década de 1950. O que preocupa os cientistas é que as reações de fusão consomem grandes quantidades de energia e como fazer com que a energia produzida exceda a energia consumida. O que é ainda mais difícil é que a energia deve ser produzida de forma contínua e estável, não apenas um flash na panela.
Em 5 de dezembro, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore, por meio da tecnologia de "fusão de confinamento inercial", finalmente realizou a reação de fusão de "ganho de energia líquida", um passo mais próximo do sol artificial.
Os pesquisadores dispararam 192 feixes de laser gigantes em uma câmara preta revestida de ouro do comprimento de uma borracha, e a intensa energia aqueceu o recipiente, que continha partículas de combustível do tamanho de grãos de pimenta, a mais de 3 milhões de graus Celsius.
▲ O "alvo" do laser é muito pequeno, mas a "câmara alvo" é muito grande.
O laser é continuamente refletido e aquecido, eventualmente produzindo raios-X . Os raios X descascaram a superfície do grão, desencadeando uma implosão semelhante a um foguete que levou as temperaturas e pressões a extremos apenas alcançáveis em estrelas, planetas gigantes e explosões nucleares e fusão de trítio .
Por fim, para um instante que dura menos de um trilionésimo de segundo, a energia da entrada do laser é de 2,05 megajoules, e a energia dos nêutrons produzidos pela fusão é de 3,15 megajoules, esta última dividida pela primeira, e o ganho de energia é maior do que 1.
Eletricidade sustentável, ainda em um futuro distante
Embora a reação de fusão de "ganho de energia líquida" tenha sido realizada, ainda há um longo caminho a percorrer antes que ela possa ser praticada fora do ambiente de laboratório e até mesmo colocada em uso comercial.
Primeiro, o "ganho líquido de energia" reflete apenas a própria reação de fusão, não os 300 megajoules necessários para alimentar o laser . A eficiência de conversão de energia elétrica para laser é muito baixa e, se a razão entre a energia elétrica de saída e a energia elétrica de entrada for calculada, o ganho de energia será menor que 1.
Em segundo lugar, recriar essa reação de fusão na escala necessária para a produção de energia requer recursos enormes.
▲ O National Ignition Facility (NIF), o maior e mais poderoso laser do mundo.
E as máquinas que implantarão a energia gerada na rede, os engenheiros ainda precisam desenvolver.
Portanto, a fusão nuclear ainda está a pelo menos dez anos de uso comercial, e pode ser décadas, e as usinas de energia estão ainda longe.
Atualmente, o laser do Laboratório Nacional Lawrence Livermore é disparado apenas uma vez por dia, e o custo é muito alto para construir uma usina de energia viável em um curto espaço de tempo.
Em uma coletiva de imprensa, o diretor de Lawrence Livermore, Kim Budil, disse que o lançamento representa uma ignição por fusão, mas muito mais precisa ser feito para alcançar a geração comercial de energia por fusão, incluindo "muitas ignições por fusão por minuto".
▲ Representação artística da fusão nuclear.
Da mesma forma, a fusão nuclear não pode ser colocada na proteção do clima tão cedo.
Julio Friedmann, especialista em tecnologia energética, destacou que os resultados alcançados agora são muito importantes: se a energia de saída não for maior que a energia de entrada, não pode ser fonte de energia. Mas não contribuirá significativamente para as reduções climáticas nos próximos 20 a 30 anos, que é a diferença entre acender um fósforo e construir uma turbina a gás.
Para limitar o aquecimento à "linha segura" de 1,5 grau Celsius, devemos atingir emissões líquidas zero até 2050. Contar com a fusão nuclear para acabar com a crise climática é um sonho distante.
Riccardo Betti, professor da Universidade de Rochester e especialista em fusão a laser, comparou esse avanço na fusão nuclear à primeira vez que os humanos souberam como refinar petróleo em gasolina :
"Você ainda não tem motor, ainda não tem pneus, não pode dizer que tem carro."
A humanidade deu um grande passo, mas pode haver dezenas de milhares de passos pela frente.
Para a próxima geração de energia limpa, o mundo está se preparando
Nas últimas décadas, muitos países têm avançado na fusão nuclear controlada.
O confinamento inercial mencionado acima é uma das duas principais soluções para realizar a fusão nuclear controlável, e a outra é o confinamento magnético.
De fato, o confinamento magnético é atualmente a principal direção para os países atacarem a fusão nuclear controlável.O dispositivo "tokamak" é o método mais famoso de fusão nuclear de confinamento magnético.
Tokamak é um dispositivo em forma de anel acionado por ondas eletromagnéticas confinadas para criar um ambiente e temperatura ultra-alta para a fusão de deutério e trítio, e para alcançar o controle humano das reações de fusão.
▲ O reator Arca "Homem de Ferro" é uma fusão nuclear controlável.
O reator Ark em "Homem de Ferro" é um pouco como um tokamak. O reator Ark na Base Industrial Stark e o mini-reator no peito da armadura do Homem de Ferro são todos "reatores de fusão magnética de confinamento (nuclear)".
Embora a tecnologia de fusão nuclear controlável e o dispositivo tokamak tenham se originado no exterior, nosso país percebeu que os retardatários estão à frente e estão na vanguarda do mundo.
O "sol artificial" EAST da China, que foi construído em 2006, é chamado de "Dispositivo Experimental de Fusão Nuclear Supercondutor Tokamak", também conhecido como "Super Anel Oriental". Foi construído pelo Instituto de Física de Plasma da Academia Chinesa de Ciências em Hefei, Anhui.
No final de 2021, o EAST alcançou uma operação de plasma de alto parâmetro de pulso longo por 1056 segundos, durante o qual a temperatura do elétron foi de quase 70 milhões de graus Celsius, estabelecendo um recorde para a operação de plasma de alta temperatura mais longa do dispositivo Tokamak naquele momento. Tempo.
▲ LESTE.
Em 4 de dezembro de 2020, uma nova geração de dispositivo "sol artificial" (HL-2M) projetada e construída independentemente pelo CNNC Southwest Institute of Physics foi concluída.
Em outubro deste ano, o HL-2M fez um avanço – a corrente de plasma ultrapassou 1 milhão de amperes (1 megaamperes).
No futuro, o reator de fusão Tokamak deve operar de forma estável em megaampères, portanto, esse avanço também marca que meu país está se aproximando cada vez mais da ignição por fusão.
▲ HL-2M.
O "sol artificial" é uma grande questão científica de grande preocupação para o mundo. Diante da próxima geração de energia limpa, os países são parceiros com partes interessadas. O mais representativo é o Reator Termonuclear Experimental Internacional (ITER), que foi lançado em 2006. projeto.
Atualmente, é um dos maiores e mais abrangentes projetos científicos internacionais do mundo. China, União Europeia, Estados Unidos, Rússia, Japão, Coreia do Sul, Índia e outros estados membros participaram. O "sol artificial" criado em conjunto por todos os países é Atualmente o maior reator de fusão nuclear do mundo está localizado em Cadarache, no sul da França.
A montagem do corpo do ITER está prevista para ser concluída em 2025 e, nos próximos anos, os componentes do ITER serão transportados de vários estados membros para Karadashe. Como um dos membros iguais, meu país realiza 9,09% do trabalho na fase de construção do ITER e desfruta de 100% do direito de usar as realizações técnicas do ITER.
▲ O estado de construção do ITER em 2018.
Carvão, petróleo e gás natural podem se esgotar e causar poluição ambiental; energia eólica, energia hídrica e energia solar são limitadas pelo clima ou condições geográficas; elementos como urânio e plutônio necessários para a fissão nuclear têm reservas limitadas e também produzirão radioatividade .
Em contraste, a tecnologia de fusão nuclear controlável é um método de energia futura no qual toda a humanidade deposita grandes esperanças. É conhecida como a "fonte de energia definitiva" porque quase pode resolver o problema de energia de uma vez por todas. Quando é realmente colocado em uso comercial, além dos benefícios climáticos, também pode trazer eletricidade barata para áreas pobres.
A perspectiva é brilhante, mas o caminho é tortuoso.Espero que num futuro previsível possamos assistir ao nascer do "sol artificial".
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