Fisch dostává finanční prostředky na „nepravděpodobné, ale fantastické“ technologie čisté energie

Odvážný výzkumný projekt zkoumá „svatý grál“ čisté energie z fúze, řekl Nat Fisch, profesor astrofyzikálních věd na Princetonské univerzitě a hlavní řešitel nového projektu. . Na rozdíl od fúze deuterium-tritium (DT) sledované po celá desetiletí chce on a jeho tým využít fúzní reakci protonu s iontem boru-11 (pB11).

"Samozřejmě, že zdaleka nejjednodušší fúzní reakce je DT," řekl Fisch, který je také ředitelem programu fyziky plazmatu na univerzitě a zástupcem ředitele pro akademické záležitosti v PPPL. „Je to dost obtížný, ale stále nejrozumnější přístup, který je třeba sledovat, a na postgraduální škole mě učili, že reakce pB11 nemůže být praktická. Přesto je pB11 svatým grálem skutečně čisté, skutečně bohaté fúzní energie.“

Emily Carter, která byla nedávno jmenována hlavní strategickou poradkyní pro vědu o udržitelnosti ve společnosti PPPL, řekla: „Elektřina z jaderné syntézy má potenciál poskytovat stabilní elektřinu pro napájení celého světa. bez přerušování a požadavků na půdu solárních a větrných farem, a proto se vyplatí naše investice.“ Carter je také profesorem energie a životního prostředí Gerhard R. Andlinger v Princetonu a profesorem mechanického a leteckého inženýrství, Andlinger Center for Energy and Environment a aplikované a výpočetní matematiky.

Fisch se nedávno dozvěděl, že jeho tým obdrží 1,5 milionu dolarů z programu ARPA-E OPEN 2021, který upřednostňuje financování technologií podporujících nové přístupy k výzvám v oblasti čisté energie.

Při oznamování vybraných projektů ARPA-E americká ministryně energetiky Jennifer Granholm řekla: „Univerzity, společnosti a naše národní laboratoře zdvojnásobují pokrok v inovaci technologií čisté energie a výrobě v Americe, aby poskytovaly kritická energetická řešení od obnovitelných zdrojů po fúzi. energie na řešení klimatické krize."

V transformačních prvcích je k dispozici obrovská energie: v případě jaderného štěpení štěpením těžkých jader, v případě fúze spojením lehkých jader, jaderná reakce, která s sebou nenese rizika štěpení. „Pro zachování klimatu naší planety jsou zapotřebí bezuhlíkové zdroje energie, jako je fúze,“ řekl Fisch. „Energie fúze nabízí výhody oproti štěpení,“ pokračoval, „nejen kvůli nevyčerpatelným zásobám paliva, ale také proto, že se vyhýbá rizikům havárií reaktorů, šíření jaderných zbraní nebo jaderného odpadu s dlouhou životností.“

Světové úsilí se soustředilo na nejjednodušší fúzní reakci využívající dvě formy vodíku: deuterium a tritium. Vedoucím přístupem k využití energie z této reakce je tokamak, zařízení ve tvaru koblihy, které omezuje reakci prostřednictvím velkých magnetických polí. Princeton Plasma Physics Laboratory je světovým lídrem v tomto přístupu.

Jiný druh fúzní reakce

Princetonský projekt nově financovaný ARPA-E, „Economical Proton-Boron11 Fusion“, není jen variantou DT fúze, ale místo toho využívá zcela odlišnou fúzi. reakce, kdy se spojí proton (jádro atomu vodíku) a jádro boru-11 (pět protonů a šest neutronů). Oba druhy fúzních reakcí uvolňují obrovskou energii, ale reakce proton-bor11 (pB11) vyžaduje mnohem, mnohem vyšší teplotu než reakce DT.

"Reakce DT je ​​již kolosální výzvou, která vyžaduje stovky milionů stupňů, takže reakce vyžadující ještě vyšší teploty je považována za téměř nemožnou," řekl Fisch. „Navíc, i kdyby bylo možné těchto teplot dosáhnout, při tak vysokých teplotách produkují elektrony rentgenové záření, které odnáší více energie, než je energie produkovaná při fúzní reakci. Z dobrých důvodů byla reakce pB11 vyloučena jako skutečná možnost ekonomické fúzní energie.

"Ale navzdory těmto problémům," řekl Fisch, "je reakce pB11 vzrušující." Kromě jiných výhod jsou protony i bor-11 snadno dostupné, přirozeně a levně. "Jediným problémem je, že výzvy jsou nepřekonatelné "Nebo ano?" řekl Fisch.

Jeho tým navrhuje držet protony a bor při různých teplotách a většinou na různých místech, což by omezilo tepelné ztráty do okolí a zároveň maximalizovalo fúzní reaktivitu. Klíč: využít velký rozdíl v hmotnosti mezi protony a borem tím, že plazma energicky víříte, takže lehčí protony sídlí většinou v mnohem teplejší oblasti, zatímco těžší ionty boru sídlí v chladnější oblasti.

„Naše představy o tom jsou opravdu dlouhé,“ řekl Fisch. „Ale pokud neporušíme žádné základní zákony termodynamiky – a tomu se velmi přiblížíme! — Domnívám se, že máme povinnost plně prozkoumat vzestupný potenciál fúze pB11. Náš návrh je čistě teoretický, takže nevyžaduje velké prostředky spojené s experimenty. Pokud by však naše nápady vyšly, možná nepravděpodobné, ale fantastické, pokud ano, budeme potřebovat partnery, kteří nám pomohou experimentálně procházet klíčovými nejistotami.“

Pokračoval: „Ale ještě před stavebními experimenty budeme potřebovat partnery, pravděpodobně mimo naši specializaci na fyziku plazmatu, aby pomohli posunout náš koncept. Při fúzi pB11 je třeba čelit novým, interdisciplinárním technickým úvahám. Doufáme, že k vyřešení důležitého problému účinné recirkulace energie ztracené jako rentgenové záření využijeme odborných znalostí fyziků a inženýrů z různých univerzit. oddělení, navíc k odborným znalostem v oblasti fyziky plazmatu u PPPL.“

Fischův tým v současnosti zahrnuje dva postdoktorandy, Iana Ochse a Elijaha Kolmese, a dva postgraduální studenty, Michaila Mlodika a Tala Rubina. Ochs a Kolmes jsou 2022 Ph.D. vystudoval Princeton s tituly v astrofyzikálních vědách. Jejich teze, obě pod vedením Fische, se týkaly témat zdánlivě vzdálených projektu pB11, přesto poskytovaly některé z jeho klíčových teoretických základů.

„Problém pB11 nás vede k řadě základních fyzikálních otázek a zároveň nás vybízí k řešení praktických hádanek s velkým potenciálem,“ řekl Kolmes, který také v roce 2015 dokončil bakalářský titul na Princetonu ve fyzice. „Ať uspějeme, nebo ne, určitě se budeme bavit objevováním zajímavých věcí. Navíc je práce s týmem příjemná. Je to velmi přátelské prostředí pro spolupráci."

Ochs, který byl Jacobus Fellow, nejvyšším vyznamenáním Princetonu pro postgraduálního studenta, souhlasil: „Toto je tým, který spolupracuje opravdu dobře po mnoho let. I když jsme museli přejít ze shromažďování u tabule na shromažďování nad Zoomem, nikdy jsme neztratili smysl pro úzkou spolupráci a podporu, která nám umožnila spojit jedinečnou sadu dovedností a znalostní základnu každého člověka k řešení obtížných a složitých problémů. Tento duch týmové práce je příkladem velkého počtu spoluautorských publikací vytvořených skupinou. Jsme nesmírně nadšeni, že můžeme využít tento pevný základ k řešení jedné z největších výzev ve výzkumu fúze: skutečně čisté, aneutronické fúzní energie.“

Tento výzkum je podporován agenturou Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), která zdokonaluje energetické technologie s vysokým potenciálem a velkým dopadem a vyvíjí zcela nové způsoby výroby, skladování a využívání energie. Projekty výzkumu a vývoje OPEN 2021 mají za cíl vyvinout převratné technologie k posílení národního vyspělého energetického podniku.