Napędzana miliarderami dolarów synteza jądrowa wkracza w nową erę

Po zebraniu ponad 3 miliardów dolarów w 2021 roku od Billa Gatesa i Jeffa Bezosa, twórcy syntezy jądrowej twierdzą, że to zeroemisyjne źródło energii może stać się rzeczywistością w ciągu dekady.

Oczywiste jest, że fuzja jądrowa może działać na dużą skalę — wystarczy spojrzeć na gwiazdy. Przez 70 lat fizycy marzyli o butelkowaniu tej energii gwiazd w postaci reaktorów termojądrowych, które zasilałyby sieć elektryczną z tymi samymi nieograniczonymi reakcjami o zerowej emisji dwutlenku węgla, które sprawiają, że świeci słońce. Ten Święty Graal od dawna reklamowano jako oddalony o zaledwie 20 lub 30 lat, ale fani fusion nie chcieli porzucić wiary. I nie bez powodu. Fuzja (rozbijanie razem atomów wodoru w hel) obiecuje nieograniczoną energię elektryczną o zerowej emisji dwutlenku węgla, z zerowym ryzykiem stopienia i praktycznie bez odpadów radioaktywnych związanych z istniejącymi elektrowniami jądrowymi, które działają na rozszczepieniu (rozszczepieniu atomów uranu na mniejsze pierwiastki). 

Marzenie zainspirowało Ajaya Royana, współzałożyciela Mithril Capital (wraz z miliarderem Peterem Thielem), który w 2013 roku po raz pierwszy zainwestował 2 miliony dolarów w firmę Helion Energy z siedzibą w Redmond w stanie Waszyngton, aby mogła zbudować prototypową maszynę o powtarzalnym impulsie. Od tamtej pory Mithril inwestuje w Helion, włączając w to ostatnią rundę 500 milionów dolarów (wyceniając firmę na 3 miliardy dolarów) – z obietnicą 1.7 miliarda dolarów więcej, jeśli siódmy prototyp firmy będzie działał zgodnie z oczekiwaniami. Rundę Helion prowadził Sam Altman z Y Combinator. 

Rok 2021 był przełomowy zarówno pod względem finansowania, jak i prognoz syntezy jądrowej, ponieważ programiści zebrali ponad 3 miliardy dolarów na sfinansowanie kolejnej rundy maszyn — przy czym niektóre z nich obiecują opłacalną komercyjnie fuzję w ciągu zaledwie pięciu lat. Royan cieszy się, że fuzja zyskuje coraz więcej uwagi; „Oczywiście rok 2021 może być punktem zwrotnym dla syntezy jądrowej według Google Analytics, ale prawdziwy punkt zwrotny miał miejsce dekadę temu, kiedy energoelektronika przekroczyła próg”. 

Dyrektor generalny David Kirtley wyjaśnia, że ​​początkowe prace badawczo-rozwojowe stojące za Helionem zostały wykonane w laboratoriach federalnych, z których Helion powstał w 2013 roku. Uwolniony od federalnej biurokracji badawczo-rozwojowej, Helion od tamtej pory buduje jeden po drugim nowe prototypy. „Mentalność start-upu nie jest miła, to wymóg. i na czym skupialiśmy się od samego początku” – mówi Kirtley.

W 2020 roku Helion ukończył swój szósty prototypowy reaktor, nazwany Trenta. Obecnie buduje siódmą, Polaris, a już projektuje ósmą, Antares, która Kirtley zamierza być pierwszą w historii maszyną termojądrową, która wytworzy więcej energii, niż pobiera. Oprócz szybkiej iteracji Helion korzysta z lokalnej wiedzy specjalistycznej. Buduje maszynę Polaris w Everett w stanie Waszyngton, w pobliżu największych fabryk Boeinga, gdzie mogą korzystać z przyjaznego ekosystemu inżynierów kontraktowych i producentów precyzyjnych. Kirtley mówi, że spędzają poranki majsterkując, aktualizując systemy i zasilając kondensatory. „Każdego popołudnia o 3:XNUMX zaczynamy robić fusion”.

Aby zrozumieć podejście Heliona, rozważ najpierw odpychanie magnetyczne, które występuje, gdy próbujesz połączyć ze sobą dodatnie bieguny dwóch magnesów sztabkowych. Jest to zasada, która umożliwia technologię „mag-lev”, taką jak słynne japońskie pociągi pociskowe, które wykorzystują odpychanie magnetyczne, aby unosić się na poduszce powietrznej. 

Naukowcy zajmujący się syntezą jądrową od dziesięcioleci starali się opracować najsilniejsze na świecie elektromagnesy, za pomocą których konstruują komory reakcyjne z polami magnetycznymi tak silnymi, że mogą pomieścić i skompresować wstrzyknięty strumień dodatnio naładowanych protonów do kuli plazmy tak gorącej, że łączą się w hel. 

W nowatorskim systemie Heliona energia uwalniana w reakcjach syntezy jądrowej nieustannie wypycha swoje pole magnetyczne, które odpycha – powodując oscylacje („jak tłok”, mówi Kirtley), które generują prąd elektryczny, który Helion wychwytuje bezpośrednio z reaktora . (Aby dowiedzieć się więcej, przeczytaj o prawie indukcji Faradaya.) 

Royan z Mithrilu mówi, że być może największą atrakcją metody bezpośredniego generowania elektryczności Heliona jest jej prostota. Inne podejścia do syntezy jądrowej mają na celu wytwarzanie ciepła w celu zagotowania wody i napędzania turbin parowych, które wytwarzają energię elektryczną — podobnie jak w tradycyjnych elektrowniach jądrowych. „Możemy to zrobić bez turbin parowych ani wież chłodniczych. Pozbywamy się elektrowni”. 

Z pewnością Kirtley rozumie sceptycyzm wobec syntezy jądrowej, zwłaszcza w odniesieniu do jego agresywnego harmonogramu. Karierę rozpoczął w dziedzinie syntezy jądrowej, zainspirowany naukowcami z krajowych laboratoriów w latach 1960. XX wieku, którzy poczynili duże postępy w dziedzinie magnetycznego zabezpieczania (rywalizując z rosyjskimi naukowcami o opracowanie reaktorów w kształcie pączków zwanych tokamakami) jeszcze przed wynalezieniem tranzystorów. Ale Kirtley stracił wiarę po ustaleniu, że wczesne podejścia po prostu nie mogły ewoluować wystarczająco szybko, aby uzyskać komercyjne rozwiązanie - więc zaczął pracować nad zaawansowanym napędem statku kosmicznego za pomocą strumieni plazmy kontrolowanych przez elektromagnesy. Wrócił na pole w 2008 roku, aby pomóc w komercjalizacji technologii Helion. 

Z czasem wyobraża sobie produkcję generatorów termojądrowych w fabryce. System o mocy 50 MW, zapakowany w trzy jednostki wielkości kontenera wysyłkowego, zasiliłby 40,000 10 domów. „Za XNUMX lat na pewno będziemy sprzedawać komercyjną energię elektryczną”. 

To stawia Helion w wyścigu z Commonwealth Fusion Systems z siedzibą w Bostonie, spin-offem MIT, który zebrał 1.8 miliarda dolarów od inwestorów, w tym Billa Gatesa i George'a Sorosa. Dyrektor generalny Bob Mumgaard mówi, że za 6 lat będą mieli działający reaktor. Jego optymizm jest podtrzymywany przez udany letni test nowych elektromagnesów opracowanych przez Commonwealth z nadprzewodnikami wykonanymi z tlenku baru i miedzi z pierwiastków ziem rzadkich. 

Mumgaard mówi, że te supermocne magnesy umożliwią Wspólnocie Narodów udoskonalenie ich nieco bardziej tradycyjnego podejścia do syntezy jądrowej polegającego na budowie reaktora „tokamak” w kształcie pączka, który Mumgaard nazywa „wielką butelką magnetyczną”, w której potężne pola magnetyczne kontrolują kule plazmy o temperaturze 100 milionów stopni – „ gwiazdorskie rzeczy”. 

Na całym świecie jest około 150 tokamaków; największy jest w trakcie budowy we Francji za 30 miliardów dolarów przez międzynarodowe konsorcjum ITER. Maszyna o masie 20,000 2035 ton, wielkości boiska do koszykówki, ma zostać ukończona do XNUMX roku. 

Ale Mumgaard zamierza, aby Commonwealth Fusion uczynił ITER przestarzałym, zanim jeszcze zostanie ukończony. Jego przewaga polega na zastosowaniu nadprzewodników „wysokotemperaturowych” wykonanych z tlenku miedzi baru ziem rzadkich (inaczej ReBCO). 

Nadprzewodniki przenoszą prąd elektryczny z praktycznie zerowymi stratami (znacznie wydajniej niż na przykład miedź). I są kluczem do tworzenia potężnych elektromagnesów. Commonwealth odkrył, że wytwarzając swoje magnesy przy użyciu specjalnej taśmy z tlenku barowo-miedziowego (takiego jak taśma znajdująca się w kasecie VHS), może osiągnąć pola magnetyczne silniejsze niż przewidywane w ITER, ale w skali 1/20. 

Podczas gdy główne magnesy ITER (zwane solenoidami) będą ważyć około 400 ton i osiągać pola silniejsze niż 12 tesli, Commonwealth przygląda się 15-tonowym magnesom, z których każdy wykorzystuje 300 km cienkowarstwowej taśmy ReBCO, która wygeneruje 20 tesli (dla porównania, maszyna do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego robi 1.5 tesli). 

„To odblokowuje maszynę termojądrową” — mówi Mumgaard. Zeszłego lata CES przetestował magnesy i ogłosił, że jest to „dowód”, że nauka o syntezie jądrowej jest już praktycznie zakończona i pozostaje tylko zbudowanie reaktora. „Dobrze rozumiemy materiał i uważamy, że możemy to zrobić w ciągu trzech lat” — mówi Mumgaard. „Do 2030 roku zobaczymy fuzję w sieci”. 

CES ma zbudować swoją maszynę termojądrową na 47-akrowym terenie w Massachusetts i już pracuje nad pozyskaniem tysięcy kilometrów taśmy ReBCO. Czy dostępność pierwiastków ziem rzadkich może stać się czynnikiem ograniczającym rozwój syntezy jądrowej? Nie, mówi Mumgaard. „Fabryka termojądrowa będzie miała mniej pierwiastków ziem rzadkich niż turbina wiatrowa. Fusion nie dotyczy zasobów, które musisz wydobywać lub pompować. Chodzi o technologię”. 

Powinno być miejsce dla więcej niż jednego zwycięzcy fuzji. Inni liderzy to General Fusion z siedzibą w Kanadzie i wspierany przez Jeffa Bezosa, który zebrał w tym roku 130 milionów dolarów. Inni znani miliarderzy w grze syntezy jądrowej to Neal i Linden Blue, którzy są właścicielami firmy General Atomics z siedzibą w San Diego, która od dziesięcioleci obsługuje badawczy tokamak w imieniu DOE i która w tym roku dostarczyła do ITER wnętrzności swoich elektromagnesów tokamakowych — centralny solenoid o masie 1,000 ton. Jest też TAE Energy of California, która przez ostatnią dekadę eksperymentowała z miliardem dolarów i zebrała 1 milionów dolarów podczas pandemii.

Technologia syntezy jądrowej mogła rozpocząć się w laboratoriach finansowanych przez rząd, ale jej realizacja będzie musiała polegać na finansowaniu prywatnym. Amy Roma, partner w Hogan Lovells w Waszyngtonie, mówi, że ustawa Build Back Better obejmowałaby 875 milionów dolarów na zaawansowaną energię jądrową, ale na razie przemysł będzie musiał zadowolić się nowym biurem demonstracji zaawansowanych reaktorów w ramach Departament Energii, finansowany z niedawnej ustawy o infrastrukturze. Energia jądrowa o zerowej emisji dwutlenku węgla odniosłaby również korzyści z niedawnego zarządzenia prezydenta Bidena wzywającego rząd federalny do zakupów energii do „zero netto” do 2030 r. 

Legendarny inwestor technologiczny Steve Jurvetson, sponsor Commonwealth Fusion, który wypisał swój pierwszy czek na badania nad syntezą jądrową 25 lat temu, jest prawie oszołomiony, że to długo odkładane marzenie może wkrótce stać się rzeczywistością. „Dopóki to się nie skończy, jest wielu przeciwników. Potem mówią, że to oczywiste. 

Royan z Mithrila mówi, że już pracuje nad dostosowaniem swoich ram, aby rozważyć, jak inny będzie wyglądał świat, gdy fuzja stanie się rzeczywista — „Pomyśl o możliwościach odsalania wody i produkcji nawozów. To zasadniczo zmienia gospodarkę wodną z dnia na dzień, a tym samym ekonomikę rolnictwa”. To wszystko jest częścią ścieżki ludzkości, mówi, „nieustanne udowadnianie, że Malthus był idiotą”. 

WIĘCEJ OD FORBESNowa energia jądrowa: jak jednorożec o wartości 600 milionów dolarów z energii syntezy jądrowej planuje pokonać energię słonecznąBy Christophera Helmana
WIĘCEJ OD FORBESCisi miliarderzy stojący za amerykańskim dronem Predator, który zabił irańskiego SoleimaniegoBy Deniz Cam