Nacionalni laboratorij odklene jedrsko fuzijo – pravi preboj, zakon o novostih ali oboje?

Njedrska fuzija je že dolgo sveti gral resnično čiste energije. Zbijanje vodikovih atomov obljublja neomejeno elektriko z ničelnimi emisijami ogljika, minimalno količino radioaktivnih odpadkov in ničelno možnostjo katastrofalnega zloma. Toda pol stoletja so bili znanstveniki fuzije omejeni z močjo svojih laserjev in močjo svojih magnetnih polj – nikoli prej niso ugotovili, kako iz razbijanja svojih atomov izvleči več energije, kot so jo vložili. Do zdaj.

Danes znanstveniki na Nacionalna naprava za vžig pri Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore (LLNL) v Kaliforniji bo razkril, da jim je v začetku decembra prvič uspelo doseči energijski dobiček, večji od 1 - to pomeni, da je bilo več energije oddane iz reakcij znotraj njihove devterij-tritijeve gorivne kapsule (2,000 megadžulov). kot je vsebovalo v 192 laserja s katerim so ga razstrelili.

To je velik posel, vreden praznovanja, a nekoliko vnaprej določen zaključek, pravi Debra Callahan, plazemska fizičarka, ki je nedavno zapustila ekipo za fuzijo LLNL in postala znanstvena direktorica pri zagonu Osredotočena energija, ki si že prizadeva za komercializacijo pristopa.

Callahan je vedel, da bo LLNL dosegel neto dobiček energije, potem ko je lani dosegel izhodno energijo 72 % svojih vložkov laserske energije. »Zame to ni presenečenje. Glede na pot rezultatov, ki smo jih videli, se bo zgodilo,« pravi. Potrebovali so le nekoliko več laserske moči. Kako torej deluje? Predstavljajte si majhen votel valj iz zlata, ki se prilega vaši dlani. To se imenuje hohlraum. Znotraj hohlrauma je majhna gorivna kapsula, znotraj katere so atomi devterija in tritija.

Zlato uporabljajo, ker zadrži rentgenske žarke, ki nastanejo, ko razstrelijo oba konca hohlrauma s 173 najmočnejšimi laserji na svetu. Callahan pravi: »Je kot rentgenska peč,« ki gorivo tako močno stisne, da implodira in vžge fuzijo med atomi v središču kapsule. Fuzija se nato valovito razširi iz središča in oddaja izjemno toploto. Vse to se zgodi v milijardinki sekunde.

Zakaj je Callahan zapustil LLNL, ko so bili na vrhuncu uspeha? Ker, pravi, National Ignition Facility ni fuzijski stroj. Hohlraum je odličen za demonstracijo vžiga, vendar ni nujno dovolj učinkovit za inženiring neprekinjene impulzne fuzije, ker se toliko preostale laserske energije izgubi pri segrevanju zlata in ne vodikovega goriva. Torej pri Focused Energy (podprto s Laboratorij za premike in Novi podjetniški sodelavci) njihov načrt je zavreči hohlraum in namesto tega uporabiti pristop "neposrednega pogona" - laserje razstreliti neposredno na kapsulo za gorivo (glej shemo).

Niso še dokazali, da deluje, vendar je Callahan prepričan, da bo njihov pilotni projekt v nekaj letih dosegel 10-kratno povečanje energije. Temu bo sledila druga tovarna, ki bo dosegla 30-kratni dobiček, čemur bo sledil njihov prvi komercialni generator ob koncu leta 2030, upajmo, da bo dosegel 100-kratni dobiček energije in razstrelil 10 kapsul goriva vsako sekundo.

Toda v tem je bil poseben izziv. Pri 10 na sekundo bi njihov stroj porabil skoraj 900,000 kapsul na dan. To ni kot metanje premoga v peč; vsako kapsulo bi bilo treba izdelati po natančnih standardih in vstreliti v stroj ob popolnem času.

***

Je to realno? Nekateri konkurenti fuzije ne mislijo tako. General Fusion je fuzijska družba s sedežem v Vancouvru v Kanadi, ki je včeraj objavila svoj mejnik. Njegov pristop se imenuje zlivanje magnetizirane tarče in vključuje stroj, kjer v stroj vbrizgajo kroglo vodikove plazme in uporabijo močne magnete, da jo zadržijo med stiskanjem z mehanskimi bati namesto z laserji. Generalni direktor Greg Twinney pričakuje, da bo pilotna tovarna, ki jo General Fusion gradi v Združenem kraljestvu, leta 2027 predstavila fuzijo, komercialna zasnova pa bo pripravljena v zgodnjih 2030-ih. "Ko vidimo takšne novice, nismo presenečeni," pravi. Toda pristopa LLNL ni mogoče ekstrapolirati v delujočo fuzijsko tovarno, kar je tisto, kar ima General Fusion (podprt s 300 milijoni dolarjev Jeffa Bezosa, ShopifyTRGOVINA
izvršnega direktorja Tobiasa Lutkeja in Temaseka, med drugim) se je lotil že od začetka. »Vse, kar počnemo, je osredotočeno na komercialno elektrarno,« pravi. "Če deluje v znanstvenem eksperimentu, vendar ni komercialno, nas to ne zanima."

Novica o LLNL je povzročila podoben odziv izvršnega direktorja Davida Kirtleyja iz zagonskega podjetja Fusion iz Seattla helion, ki ga s 600 milijoni dolarjev podpirajo tehnološki tajkuni Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman in Jeff Skoll. "Navdušeni smo, da so dosegli znanstvene mejnike za svoj stroj," pravi Kirtley. Vendar se ne počuti ogroženega zaradi "raziskovalne naprave, ki ni zasnovana za proizvodnjo elektrike." Nasprotno pa delovanje Helionovega 60 čevljev dolgega fuzijskega stroja vključuje vbrizgavanje plazemskih kroglic na vsakem koncu, ki jih razbije skupaj v reakciji 100 milijonov stopinj, ki jo nadzirajo intenzivna magnetna polja. V Helionovem novem sistemu energija, sproščena v fuzijskih reakcijah, neprestano potiska ven proti svojemu magnetnemu zadrževalnemu polju, ki ga potiska nazaj - povzroča nihanje "kot bat", pravi Kirtley, ki ustvarja električni tok, ki ga Helion zajame neposredno iz reaktorja. (Za več preberite naprej Faradayev zakon indukcije.)

Helion izdeluje svoj sedmi prototip in načrtuje osmega, za katerega Kirtley upa, da bo prvi komercialni fuzijski generator, ki bo po možnosti povezan z električnim omrežjem do konca tega desetletja, če bo šlo vse v redu. Pravi, da se zdi, da bodo zvezni jedrski regulatorji za svoj stroj veljala enaka pravila kot za pospeševalnike delcev in vrste strojev za slikanje, ki se uporabljajo v bolnišnicah.

Poleg tega obstaja veliko drugih podjetij, ki sledijo najbolj uveljavljenemu pristopu k fuziji - tokamak koncept, pri katerem se kroglice plazme vbrizgajo v reaktorsko komoro v obliki votlega krofa, ki jo nadzirajo močna magnetna polja. Commonwealth Fusion, spinoff MIT, želi izpopolniti tokamak z ultra visokotemperaturnimi superprevodnimi materiali, za katere izvršni direktor Bob Mumgaard meni, da jim bodo omogočili, da bodo do konca desetletja imeli delujočo fuzijsko napravo. Enako velja za General Atomics s sedežem v San Diegu (najbolj znan za izum drona Predator), ki že desetletja upravlja tokamak za ministrstvo za energijo in načrtuje nov stroj. GA je izdelal tudi verjetno najmočnejši magnet na svetu, imenovan centralni solenoid, za največji fuzijski projekt na svetu, 30 milijard dolarjev ITER v gradnji v Franciji. Če bodo drugi fuzijski zagoni uspeli, bo ITER zastarel, še preden bo dokončan v naslednjem desetletju. GA (v lasti milijarderja Neala Bluea) ima partnerstvo z nacionalnim laboratorijem Savannah River National Lab za proizvodnjo gorivnih peletov za laserske fuzijske stroje, kot sta LLNR in Focused Energy.

S komerkoli se pogovarjate na področju fuzije, so njihove kritike dolgo uveljavljenih jedrskih fisijskih reaktorjev enake. Reakcije cepitve (v katerih se veliki atomi obogatenega urana razbijejo) dajejo radioaktivne odpadke, vključno s plutonijem in nevarnimi aktinidi, ki jih je mogoče uporabiti kot orožje. V nasprotju s fuzijo, ki jo je težko začeti in enostavno ustaviti, je cepitvene reakcije enostavno začeti in težko ustaviti, kar predstavlja tveganje katastrofalnih zlomov. Novejše oblike, kot je Westinghouse AP1000 fisijski reaktor, ki se gradi tako v ZDA kot na Kitajskem, ima pasivne varnostne ukrepe in je praktično odporen na taljenje.

***

Nekateri atomski podjetniki menijo, da fisija zadostuje. Bret Kugelmass, ustanovitelj in izvršni direktor Zadnja energija, se je pred petimi leti lotil zasnove najučinkovitejšega in najvarčnejšega jedrskega reaktorja na svetu. Preden se je odločil za svoj pristop, je zdaj 36-letni Kugelmass intervjuval na stotine strokovnjakov za jedrsko industrijo (in pogovore usmeril na Podcast Titans of Nuclear), da bi zbrali kolektivno modrost industrije. Čeprav verjame v dolgoročno prihodnost fuzije, je Kugelmass ugotovil, da je najboljša stava na svetu za prehod od fosilnih goriv gradnja modularnih fisijskih reaktorjev na najpreprostejši, najcenejši in najvarnejši možni način. Podjetje Last Energy v svoji tovarni blizu Houstona zdaj izdeluje svoje prve majhne, ​​modularne tlačnovodne reaktorje, ki uporabljajo standardne komponente, pridobljene prek obstoječih jedrskih dobavnih verig, s tehnologijo, ki je bila izpopolnjena v desetletjih in se uporablja v več več kot 300 reaktorjev po vsem svetu.

Podjetje Last Energy je že prodalo 10 od svojih 20-megavatnih enot stranki na Poljskem, še dve v Romunijo in nekaj v Veliko Britanijo. Kugelmass pravi, da njegova intelektualna lastnina ni v dokazanih komponentah, ampak v tem, kako jih vse skupaj sestaviti. Doslej je zbral 24 milijonov dolarjev pod vodstvom Gigafund, in pričakuje, da bodo prvi reaktorji na Poljskem zagnali leta 2025. Last Energy za financiranje strojev sklepa dolgoročne pogodbe o nakupu električne energije, ki strankam obljubljajo desetletja brezogljične jedrske energije po cenah, nižjih od tržnih. »Uspelo nam je izklesati zaželeno nišo, ki je nihče ni želel,« pravi Kugelmass. "Celotno operacijo smo skrili v črno škatlo."

Ne glede na to, kako mikavna je obljuba o fuziji, bi lahko Kugelmass, če bo dosegel konkurenčno realnost uveljavljene, zanesljive cepitve, vendarle potisnil svojega hipnega novega bratranca na smetišče junaških tehnoloških spodrsljajev – spomnite se Betamaxa, Google Glassa in New Coca-Cole?

VEČ OD FORBESJedrska fuzija, ki jo poganjajo milijarde dolarjev, vstopa v novo doboBy Christopher HelmanVEČ OD FORBESNova jedrska energija: kako načrtuje 600 milijonov dolarjev vreden unicorn fuzijske energije premagati sonceBy Christopher HelmanVEČ OD FORBESTihi milijarderji za ameriškim dronom Predator, ki je ubil iranskega SoleimanijaBy Deniz Çam