211service.com
Bryta månen
Vid 2000-talets start var det få som skulle ha förutspått att 2007 skulle ett andra lopp om månen vara på gång. Ändå är tecknen på att så är fallet nu. Dessutom, i dagens månkapplöpning, till skillnad från den som ägde rum mellan USA och U.S.S.R. på 1960-talet, tävlar en komplett lista av 2000-talets globala makter, inklusive Kina och Indien.
Heta gaser: Forskare vid University of Wisconsin-Madisons Fusion Technology Institute testar denna fusionsreaktor, visad med sikte på nätet där intern elektrostatisk inneslutning äger rum.
Ännu mer överraskande är att en anledning till mycket av intresset verkar vara planerna på att bryta helium-3 – som påstås vara ett idealiskt bränsle för fusionsreaktorer men nästan otillgängligt på jorden – från månens yta. NASA:s Vision for Space Exploration har amerikanska astronauter planerade att vara tillbaka på månen 2020 och permanent bemanna en bas där till 2024. Medan den amerikanska rymdorganisationen varken har tillkännagett eller förnekat någon önskan att bryta helium-3, har den ändå placerat förespråkare för bryta He3 i inflytelserika positioner. Ryssland hävdar för sin del att syftet med ett eget månprogram – för vad det är värt, raketbolaget Energi nyligen börjat skrälla, sovjetisk stil, att det kommer att bygga en permanent månbas 2015-2020 – kommer att extrahera He3.
Även kineserna tror tydligen att helium-3 från månen kan möjliggöra fusionsväxter på jorden. I höst förväntar sig Folkrepubliken att kretsa runt en satellit runt månen och sedan landa ett obemannat fordon där 2011.
Inte heller tänker Indien lämnas utanför. (Se Indiens rymdambitioner svävar i höjden.) I våras har dess president, A.P.J. Kalam och dess premiärminister, Manmohan Singh, höll stora tal och hävdade att, förutom att bygga gigantiska solfångare i omloppsbana och på månen, har världens största demokrati också för avsikt att bryta He3 från månens yta. Indiens undersökning, Chandrayaan-1 , kommer att lyfta nästa år, och ISRO, den indiska rymdforskningsorganisationen, talar om att skicka Chandrayaan-2 , en ytrover, 2010 eller 2011. Samtidigt gör Japan och Tyskland ljud om att de ska lansera sina egna månuppdrag vid den tiden, och pratar om möjligheten att bryta He3 och föra tillbaka den för att driva fusionsbaserade kärnreaktorer på Jorden.
Kan He3 från månen verkligen vara en genomförbar lösning på våra energibehov på jorden? Praktisk kärnfusion beräknas numera vara fem decennier borta – samma förutsägelse som gjordes vid 1958 års Atoms for Peace-konferens i Bryssel. Om fusionskraftens ankomstdatum konstant har legat 50 år bort sedan 1958, varför skulle helium-3 plötsligt göra fusionskraft mer genomförbar?
Förespråkare för He3-baserad fusion pekar på det faktum att nuvarande ansträngningar för att utveckla fusionsbaserad kraftproduktion, som ITER megaproject, använd deuterium-tritium bränslecykeln, vilket är problematiskt. (Se International Fusion Research .) Deuterium och tritium är båda väteisotoper, och när de smälts samman i ett överhettat plasma, kommer två kärnor samman för att skapa en heliumkärna – som består av två protoner och två neutroner – och en högenergineutron . En deuterium-tritium-fusionsreaktion frigör 80 procent av sin energi i en ström av högenergi-neutroner, som är mycket destruktiva för allt de träffar, inklusive en reaktors inneslutningskärl. Eftersom tritium är mycket radioaktivt gör det inneslutning till ett stort problem eftersom strukturer försvagas och måste bytas ut. Alltså, vilket material som än används i ett deuterium-tritium fusionskraftverk kommer att behöva utstå allvarliga straff. Och om det är möjligt, när den fusionsreaktorn så småningom avvecklas, kommer det fortfarande att finnas mycket radioaktivt avfall.
Helium-3-förespråkare hävdar att det, omvänt, skulle vara icke-radioaktivt, vilket undanröjer alla dessa problem. Men en seriös kritiker har anklagat att He3-baserad fusion i verkligheten inte ens är ett genomförbart alternativ. I augusti numret av Fysik värld , teoretisk fysiker Frank Close, vid Oxford i Storbritannien, har publicerat en artikel som heter Rädslor över fakta där han bland annat sammanfattar några påståenden från heliumaficionados, och avfärdar sedan dessa påståenden som i huvudsak fantasi.
Close påpekar att i en tokamak – en maskin som genererar ett munkformat magnetfält för att begränsa de överhettade plasman som krävs för fusion – reagerar deuterium upp till 100 gånger långsammare med helium-3 än vad det gör med tritium. I ett plasma som finns i en tokamak, påfrestningar Close, blandas alla kärnor i bränslet samman, så det som är mest troligt är att två deuteriumkärnor snabbt smälter samman och producerar en tritiumkärna och en proton. Det tritiumet kommer i sin tur sannolikt att smälta samman med deuterium och slutligen ge en helium-4-atom och en neutron. Kort sagt, säger Close, om helium-3 utvinns från månen och förs till jorden, i en standard tokamak kommer det slutliga resultatet fortfarande att vara deuterium-tritiumfusion.
För det andra avvisar Close påståendet att två helium-3 kärnor realistiskt skulle kunna fås att smälta samman för att producera deuterium, en alfapartikel och energi. Den reaktionen sker ännu långsammare än deuterium-tritiumfusion, och bränslet skulle behöva värmas upp till opraktiskt höga temperaturer - sex gånger värmen från solens inre, enligt vissa beräkningar - som skulle vara utom räckhåll för någon tokamak. Därför, avslutar Close, är månhelium-3-berättelsen, enligt mig, månsken.
Closes invändning antar dock att deuterium-helium-3-fusion och ren helium-3-fusion skulle äga rum i tokamak-baserade reaktorer. Det kan finnas alternativ: t.ex. Gerald Kulcinski , professor i kärnteknik vid University of Wisconsin-Madison, har upprätthållit den enda helium-3-fusionsreaktorn i världen med en årlig budget som är knappt sexsiffrig.
Kulcinskis He3-baserade fusionsreaktor, belägen i Fusion Technology Institute vid University of Wisconsin, är mycket liten. När den körs innehåller den ett sfäriskt plasma med en diameter på ungefär 10 centimeter som kan producera varaktig fusion med 200 miljoner reaktioner per sekund. För att producera en milliwatt effekt förbrukar reaktorn tyvärr en kilowatt. Closes svar är därför tillräckligt giltigt: När praktisk fusion sker med en demonstrerad nettoeffekt, kan jag – och världens fusionsgemenskap – notera det.
Ändå gäller den kritiken lika mycket för ITER och den tokamak-baserade reaktorsatsningen, som inte heller har nått breakeven ännu (punkten då en fusionsreaktor producerar lika mycket energi som den förbrukar). Det som är viktigt med reaktorn i Wisconsin är att, som Kulcinski säger, vi gör både deuterium-He3- och He3-He3-reaktioner. Vi kör deuterium-He3-fusionsreaktioner dagligen, så vi är mycket bekanta med den reaktionen. Vi gör också He3-He3 för om vi kan kontrollera det kommer det att ha en enorm potential.
Reaktorn vid Fusion Technology Institute använder en teknik som kallas tröghetselektrostatisk inneslutning (IEC). Kulcinski förklarar: Om vi använde en tokamak för att göra deuterium-helium-3, skulle den behöva vara större än ITER-enheten, som redan tänjer på gränserna för trovärdighet. Våra IEC-enheter, å andra sidan, är i bordsstorlek, och under våra deuterium-He3-körningar får vi några neutroner som produceras genom sidreaktion med deuterium. Ändå, fortsätter Kulcinski, när sidoreaktioner inträffar som involverar två deuteriumkärnor som smälter samman för att producera en tritiumkärna och proton, är tritiumet som produceras på en så högre energinivå än inneslutningssystemet att det omedelbart försvinner. Följaktligen är radioaktiviteten i vårt deuterium-He3-system endast 2 procent av radioaktiviteten i ett deuterium-tritiumsystem.
Mer betydelsefull är He3-He3-fusionsreaktionen som Kulcinski och hans assistenter producerar med sin IEC-baserade reaktor. I Kulcinskis reaktor smälter istället två helium-3-kärnor, var och en med två protoner och en neutron, samman för att producera en helium-4-kärna, bestående av två protoner och två neutroner, och två högenergiska protoner.
He3-He3 är inte en lätt reaktion att marknadsföra, säger Kulcinski. Men He3-He3 fusion har störst potential. Det beror på att helium-3, till skillnad från tritium, är icke-radioaktivt, vilket för det första betyder att Kulcinskis reaktor inte behöver det massiva inneslutningskärlet som deuterium-tritiumfusion kräver. För det andra har protonerna som den producerar – till skillnad från de neutroner som produceras av deuterium-tritium-reaktioner – laddningar och kan innehållas med hjälp av elektriska och magnetiska fält, vilket i sin tur resulterar i direkt elproduktion. Kulcinski säger att en av hans doktorandassistenter vid Fusion Technology Institute arbetar på en solid state-enhet för att fånga protonerna och omvandla deras energi direkt till elektricitet.
Ändå bevisar Kulcinskis reaktor bara den teoretiska genomförbarheten och fördelarna med He3-He3-fusion, med kommersiell lönsamhet som ligger decennier i framtiden. För närvarande, säger han, kommer energidepartementet att säga till oss: 'Vi kommer att få fusion att fungera. Men du kommer aldrig att gå tillbaka till månen, och det är det enda sättet du kommer att få enorma mängder helium-3. Så glöm det.’ Under tiden säger NASA-folket till oss: ’Vi kan få helium-3. Men du kommer aldrig att få fusion att fungera.’ Så DOE tror inte att NASA kan göra sitt jobb, NASA tror inte att DOE kan göra sitt jobb, och vi försöker få de två att arbeta tillsammans. Just nu kommer Kulcinskis finansiering från två rika individer som, säger han, bara är intresserade av forskningen och utan förväntan om ekonomisk vinst.
Sammantaget är alltså helium-3 inte den lågt hängande frukten bland potentiella bränslen för att skapa praktisk fusionskraft, och det är en som vi måste nå månen för att plocka. Som sagt, om ren He3-baserad fusionskraft är realiserbar skulle det ha enorma fördelar.