IMWU-nlKärnfusion vad tar det så länge?
NyheterDet kan ge en billig, säker, ren, riklig och tillförlitlig energikälla för mänskligheten, men kärnfusion har hittills förblev tantalisingly out of reach.
Trots att det är en teoretisk ersättning för både produktion av fossila bränslen och kärnklyvning i över 60 år har kärnfusion fortfarande inte blivit kommersiellt möjligt i kraftverk. Så vad tar det så länge?
Vad är kärnfusion?
Medan kärnreaktorerna vi har haft sedan 1950-talet, är atomer delade i hälften för att producera energi, ser atomfusion smältningen av två väteisotoper för att producera mycket mer energi. Du kan se massiva kärnfusionsreaktorer när som helst du vill, bara genom att gå ut på en solig dag eller på kvällen och titta upp.
Alla stjärnor - inklusive solen - är naturliga kärnfusionsreaktorer, men de enorma gravitationskrafterna är svåra att replikera här på jorden.
Även om fusionsreaktorer aldrig har gått bortom experimentfasen har forskare uppnått temperaturer på cirka 100 miljoner grader. Problem är att de har fått mer energi än de har blivit ut och gör kärnfusion - hittills - en kommersiell icke-starter.
Är kärnklyvning farlig?
Fossila bränslen värmer vår planet, och kärnklyvning producerar giftigt radioaktivt avfall.
Samtidigt är kärnfusionsreaktorer - som antingen är munkar (Tokamak) eller sfäriska behållare av plasma (ett moln av protoner, neutroner och elektroner som anses vara "fjärde tillståndet") som är upphängda av magnetfält - ger låga halter av radioaktivitet, de kommer inte med risk för smältning, och deras råmaterial är inte super-sällsynt uran. I stället använder de mycket mer vanligt deuterium och tritium.
Tyvärr är kärnprocessen som producerar energin mycket svår att tämja.
Kärnproblemet
Produktion av kontrollerad fusionskraft är oerhört svår. Kärnproblemet som väcker kärnforskare är plasmafysik. I en fusionsreaktor måste plasman värmas till minst 100 miljoner grader och tvingas kollidera med elektromagneter.
Tyvärr är plasma instabilt och oförutsägbart, så de allvarliga kollisionerna är svåra att tvinga.
"Vi vill att plasmaflödet ska vara smidigt, men i motsats till en vanlig gas, adderar plasma mer komplicerade lagar", säger Dr. James Lambert på Applied Fusion Systems i London.
"I en gas är interaktionerna mellan partiklarna korta, och endast kollisioner mellan partiklar har någon effekt ... i en plasma laddas alla partiklarna så att de lockar, avstänger och diverterar varandra på långa områden och enkla kollisioner spelar ingen roll."
Svaret på kärnfusionsratten är att utveckla mycket mer sofistikerade datormodeller av plasma, så beteendet kan förutsägas och kontrolleras. Det är just vad som händer nu.
Vad förhindrar det stora genombrottet?
Om kärnfusion är teoretiskt möjligt, massivt viktigt och det undersöks över hela världen, vad förhindrar det stora genombrottet?
"Här är saken - ingenting", säger Lambert. "Superdatorer är äntligen knackande tal snabbt nog för att vi snabbt kan testa och validera mönster och superledare har blivit billiga och starka nog så att vi nu har alla pusselbitar - nu måste vi sätta dessa bitar ihop", säger han.
Det stora problemet i det är egentligen inte fusion alls.
"Det finns ett ordspråk - fusion är lätt, men plasmafysik är svårt", säger Lambert. "Men med tillkomsten av billiga supercomputing förstår vi plasmafysiken bättre än någonsin."
Det är precis vad som hände på Plasma Science and Fusion Center vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), där forskare dator modellerade förutsättningarna i en fusionsreaktor i ett försök att göra processen självbärande. Uppgiften gobbled-upp 15 miljoner timmar dator bearbetningstid, vilket kan förklara varför framstegen är så långsam.
Större projekt
Det största kärnfusionsprojektet i världen är den kroniskt försenade internationella termonukleära experimentella reaktorn (ITER), ett 35-årigt internationellt forskningsprojekt i Saint Paul-lez-Durance, Frankrike som finansieras av Kina, EU, Indien, Japan, Sydkorea, Ryssland och USA.
En munkformad Tokamak magnetisk fusionsbehållare är planerad för att påbörja experiment med plasma i 2025 - ett årtionde senare än ursprungligen planerat - i syfte att producera 500 megawatt energi från 50 megawatt input.
Däremot har budgeten ökat från 5 miljarder dollar till 20 miljarder dollar.
"Tokamaks uppnådde högre temperaturer tidigt, så forskare släppte sina egna projekt och ägnade sin tid till tokamaks", säger Lambert.
"En stor konkurrerande design, stellaratorn, kräver en sådan förvrängd design att de bara har blivit livskraftiga forskningsprojekt." Det är just vad som händer på Wendelstein 7-X stellarator vid Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) i Tyskland.
Finansiering fusion
Mot bakgrund av sådana lumbering kostnader och misstänkt brist på framsteg har en våg av privatfinansierade fusionsstart uppstått för sent som bygger på det senaste tänkandet - bland annat Canadas General Fusion, Tri Alpha Energy och Helion Energy i USA och Storbritanniens Applied Fusion Systems, Tokamak Energy och First Light Fusion - allt försöker knäcka den kritiska vetenskapen och göra små kärnfusionsreaktorer.
"Vi har kortare ledtider så att vi snabbt kan tillämpa ny kunskap och snabba mot bättre design snabbare," säger Lambert.
"Problemet med de stora projekten är att vid den tid de byggs är kunskapen som informerade sin design föråldrad."
Strukturella problem
För en bransch att göra ett jättesteg i sin teknik kräver den typ av ledarskap och fokus som kärnkraftssektorn bara inte har.
I kölvattnet av Fukushima-incidenten i Japan 2011 finns det en våg av anti-nukleär folkhälsa, och de resulterande internationellt bindande avtalen om miljökvoter innebär mycket byråkrati. Inget av detta hjälper fusions orsak.
Det finns också en stor personalfråga. "Det finns en kronisk kompetensbrist i kärnkraftsindustrin", säger Matthew Sykes, chef för Power & Nuclear i Spencer Ogden, som rekryterar för kärnkraftverk.
"Det är en utmaning att söka kvalificerade, skickliga kandidater som också har kärnvapenskydd." Sykes tillägger att det finns en åldrande arbetskraft, med många av de arbetare som har fyllt positioner inom sektorn som nu når slutet av sina karriärer.
Gjord i Storbritannien?
"Kärnkraft är mycket hög risk, det går långsamt och det finns mycket prat men mycket lite framåt", säger Sykes, som delvis skyller på den långsamma framstegsgraden på det internationella ägandet av projekt.
Till exempel finansieras det kontroversiella Hinkley Point-projektet i Storbritannien av franska och kinesiska intressen. Trots det är det Förenade kungariket som står i polposition i tävlingen för att utveckla kärnfusionsreaktorer.
Massiva projekt i USA och Frankrike, trots det, tror vissa att det är Storbritannien som har det bästa stället att göra kärnfusion en kommersiell verklighet. Faktum är att den största tokamaken i världen ligger på Joint European Torus (JET) -projektet vid Culham Center for fusionsenergi i Oxfordshire, Storbritannien.
"De flesta brittiska människor är förvånad när jag säger till dem att Storbritannien leder världen i fusionsforskning", säger Lambert. "Vi är i bästa möjliga position för att leda vägen till en ny energire revolution."
Kärnfusion på ett decennium?
När vi fysiskt får kärnfusion kommer kraftproduktionen att vara mest beroende inte av forskare, utan på tjänstemän som inte är exakt kända för sin administrativa hastighet och smidighet.
"Regeringarna rör sig inte snabbt när det gäller att köpa nya kraftverk, säger Lambert. "Titta på Hinkley Point."
Även om det var en beprövad teknik redan nu, skulle kärnfusionens massöverföring - och så lösningen på världens hotande energikris - sannolikt ta decennier. Men själva kärnfusionstekniken kommer att vara med oss tidigare än vi tror. "Vi skulle vilja se marken vara trasig om tio år", säger Lambert om de första kärnkraftsfusionsbaserade kraftverken.
Världen kan och kommer att vänta på en outtömlig källa till ren, koldfri energi, men det händer inte i morgon. Men för en teknik som alltid har varit "20 år från nu", kanske bara en decennium lång väntan är en halveringstid vi borde börja bli spända på.
- Kärnklockan skulle kunna revolutionera hur vi mäter tiden