National Lab odblokowuje syntezę jądrową — prawdziwy przełom, nowość, czy jedno i drugie?

Nfuzja jądrowa od dawna jest Świętym Graalem prawdziwie czystej energii. Zderzenie atomów wodoru obiecuje nieograniczoną elektryczność przy zerowej emisji dwutlenku węgla, minimum odpadów radioaktywnych i zerowej szansie na katastrofalne stopienie. Ale przez pół wieku naukowcy zajmujący się syntezą jądrową byli ograniczeni mocą swoich laserów i siłą ich pól magnetycznych — nigdy wcześniej nie wymyślili, jak wydoić więcej energii z ich rozbicia atomu, niż włożyli. Aż do teraz.

Dziś naukowcy z Krajowy Zakład Zapłonu na Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Kalifornii ujawni, że na początku grudnia po raz pierwszy udało im się osiągnąć przyrost energii większy niż 1 - to znaczy, że więcej energii zostało wyemitowane z reakcji wewnątrz ich kapsuły paliwowej deuter-tryt (2,000 megadżuli) niż było zawarte w 192 lasery którym to rozwalili.

To wielka sprawa, warta świętowania, ale w pewnym sensie przesądzona, mówi Debra Callahan, fizyk plazmy, który niedawno opuścił zespół LLNL zajmujący się fuzją, aby zostać dyrektorem naukowym w startupie Skupiona energia, która już pracuje nad komercjalizacją podejścia.

Callahan wiedział, że LLNL osiągnie wzrost energii netto po tym, jak w zeszłym roku osiągnęli moc wyjściową równą 72% energii wejściowej lasera. „Nie jest to dla mnie zaskoczeniem. Biorąc pod uwagę ścieżkę wyników, którą widzieliśmymiało się wydarzyć – mówi. Potrzebowali tylko nieco więcej mocy lasera. Jak to działa? Wyobraź sobie mały wydrążony cylinder ze złota, który mieści się w dłoni. To się nazywa hohlraum. Wewnątrz hohlraum znajduje się maleńka kapsuła paliwowa, w której znajdują się atomy deuteru i trytu.

Używają złota, ponieważ zatrzymuje ono promieniowanie rentgenowskie, które powstaje, gdy wysadzają oba końce hohlraum za pomocą 173 najpotężniejszych laserów na świecie. Callahan mówi: „To jest jak piec rentgenowski”, który kompresuje paliwo tak bardzo, że imploduje i zapala syntezę jądrową między atomami w środku kapsuły. Następnie fuzja rozchodzi się w postaci fali z centrum, emitując ogromne ciepło. Wszystko to dzieje się w ciągu jednej miliardowej sekundy.

Dlaczego Callahan opuścił LLNL, kiedy byli u progu sukcesu? Ponieważ, jak mówi, National Ignition Facility nie jest maszyną termojądrową. Hohlraum doskonale nadaje się do demonstrowania zapłonu, ale niekoniecznie jest wystarczająco wydajny do inżynierii ciągłej pulsacyjnej fuzji, ponieważ tak dużo resztkowej energii lasera jest tracone podczas podgrzewania złota, a nie paliwa wodorowego. Więc w Focused Energy (wspierany przez Laboratorium Prime Movers i Nowi partnerzy korporacyjni) ich plan polega na odrzuceniu hohlraum i zamiast tego zastosowaniu podejścia „napędu bezpośredniego” — wysadzeniu laserów bezpośrednio w kapsułę paliwową (patrz schemat).

Nie wykazali jeszcze, że to działa, ale Callahan jest przekonany, że za kilka lat ich projekt pilotażowy przyniesie 10-krotny wzrost energii. Następnie druga elektrownia osiągnie 30-krotny zysk, a następnie pod koniec lat 2030. XXI wieku pierwszy komercyjny generator, który, miejmy nadzieję, osiągnie 100-krotny wzrost energii i wystrzeli 10 kapsułek paliwa na sekundę.

Ale w tym tkwiło szczególne wyzwanie. Przy 10 na sekundę ich maszyna zużywałaby prawie 900,000 XNUMX kapsułek dziennie. To nie jest jak wrzucanie węgla do pieca; każda kapsuła musiałaby zostać wyprodukowana zgodnie z wymagającymi standardami i wstrzelona do maszyny z idealnym wyczuciem czasu.

***

Czy to jest realistyczne? Niektórzy konkurenci syntezy jądrowej tak nie uważają. General Fusion to firma z Vancouver w Kanadzie, która wczoraj ogłosiła swój własny kamień milowy. Jego podejście nazywa się namagnesowaną fuzją celu i obejmuje maszynę, w której wstrzykują kulę plazmy wodorowej do maszyny i używają potężnych magnesów do jej utrzymania podczas ściskania za pomocą mechanicznych tłoków, a nie laserów. Dyrektor generalny Greg Twinney spodziewa się, że pilotażowa fabryka, którą General Fusion buduje w Wielkiej Brytanii, zademonstruje syntezę jądrową w 2027 r., a projekt komercyjny będzie gotowy na początku lat 2030. XX wieku. „Kiedy widzimy takie wiadomości, nie jesteśmy zaskoczeni” — mówi. Ale podejścia LLNL nie można ekstrapolować na działającą elektrownię termojądrową, co właśnie General Fusion (wspierany przez 300 milionów dolarów od Jeffa Bezosa, ShopifySKLEP
CEO Tobias Lutke i Temasek (m.in.) postawili sobie za cel od początku. „Wszystko, co robimy, koncentruje się na komercyjnej elektrowni” — mówi. „Jeśli działa w eksperymencie naukowym, ale nie jest komercyjny, nie jesteśmy tym zainteresowani”.

Wiadomości LLNL wywołały podobną odpowiedź od dyrektora generalnego Davida Kirtleya z firmy fusion startup z siedzibą w Seattle helion, wspierany przez 600 milionów dolarów od potentatów technologicznych Petera Thiela, Sama Altmana, Dustina Moskovitza, Reida Hoffmana i Jeffa Skolla. „Cieszymy się, że osiągnęli kamień milowy w nauce dla swojej maszyny” — mówi Kirtley. Ale nie czuje się zagrożony przez „urządzenie badawcze nieprzeznaczone do wytwarzania elektryczności”. Natomiast działanie 60-metrowej maszyny termojądrowej Helion polega na wstrzykiwaniu kul plazmy na każdym końcu, rozbijaniu ich o siebie w reakcji o temperaturze 100 milionów stopni kontrolowanej przez intensywne pola magnetyczne. 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 uzyskać więcej, czytaj dalej Prawo indukcji Faradaya.)

Helion buduje swój siódmy prototyp i projektuje ósmy, który Kirtley ma nadzieję, że będzie pierwszym komercyjnym generatorem termojądrowym – prawdopodobnie podłączonym do sieci energetycznej do końca tej dekady, jeśli wszystko pójdzie dobrze. Mówi, że federalne organy regulacyjne wydają się być gotowe poddać swoją maszynę tym samym zasadom, co akceleratory cząstek i rodzaj maszyn do obrazowania używanych w szpitalach.

Jest też wiele innych firm, które realizują najbardziej ugruntowane podejście do syntezy jądrowej — tzw tokamak koncepcja, w której kule plazmy są wtryskiwane do komory reaktora w kształcie wydrążonego pączka, sterowanego silnymi polami magnetycznymi. Fuzja Wspólnoty Narodów, spółka spin-off MIT, stara się udoskonalić tokamaka przy użyciu nadprzewodzących materiałów o bardzo wysokiej temperaturze, które według dyrektora generalnego Boba Mumgaarda umożliwią im posiadanie działającego urządzenia termojądrowego do końca dekady. To samo dotyczy firmy General Atomics z siedzibą w San Diego (najlepiej znanej za wynalezienie drona Predator), która od dziesięcioleci obsługuje tokamaka dla Departamentu Energii i projektuje nową maszynę. GA zbudowała również prawdopodobnie najpotężniejszy magnes na świecie, zwany centralnym solenoidem, na potrzeby największego na świecie projektu syntezy jądrowej, ITER o wartości 30 miliardów dolarów w budowie we Francji. Jeśli inne startupy zajmujące się syntezą jądrową postawią na swoim, ITER będzie przestarzały, zanim zostanie ukończony w następnej dekadzie. Rozkładając swoje zakłady, GA (należąca do miliardera Neala Blue) nawiązała współpracę z Savannah River National Lab w celu produkcji peletów paliwowych do laserowych maszyn termojądrowych, takich jak LLNR i Focused Energy.

Z kimkolwiek rozmawiasz w dziedzinie syntezy jądrowej, ich krytyka długo działających reaktorów rozszczepienia jądrowego jest taka sama. Reakcje rozszczepienia (w których rozpadają się duże atomy wzbogaconego uranu) dają odpady radioaktywne, w tym pluton i niebezpieczne aktynowce, które można wykorzystać jako broń. W przeciwieństwie do syntezy jądrowej, którą trudno rozpocząć i łatwo zatrzymać, reakcje rozszczepienia są łatwe do rozpoczęcia i trudne do zatrzymania, co wiąże się z ryzykiem katastrofalnych stopień. Nowsze projekty, np Westinghouse AP1000 reaktor rozszczepialny, budowany zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i Chinach, jest wyposażony w pasywne środki bezpieczeństwa i jest praktycznie odporny na stopienie.

***

Niektórzy atomowi przedsiębiorcy uważają, że wystarczy rozszczepienie. Bret Kugelmass, założyciel i dyrektor generalny firmy Ostatnia energia, postanowili pięć lat temu opracować najbardziej wydajny i ekonomiczny reaktor jądrowy na świecie. Zanim zdecydował się na swoje podejście, Kugelmass, obecnie 36-letni, przeprowadził wywiady z setkami ekspertów przemysłu jądrowego (i umieścił rozmowy na swoim Podcast Titans of Nuclear), aby zebrać zbiorową mądrość branży. Choć wierzy w długoterminową przyszłość syntezy jądrowej, Kugelmass ustalił, że najlepszym na świecie sposobem na odejście od paliw kopalnych jest budowa modułowych reaktorów rozszczepialnych w najprostszy, najtańszy i najbezpieczniejszy możliwy sposób. W swojej fabryce w pobliżu Houston Last Energy produkuje obecnie swoje pierwsze małe, modułowe reaktory wodne ciśnieniowe, które wykorzystują gotowe komponenty, pozyskiwane za pośrednictwem istniejących jądrowych łańcuchów dostaw, z technologią udoskonaloną przez dziesięciolecia i używaną w bardziej ponad 300 reaktorów na całym świecie.

Last Energy sprzedała już 10 swoich 20-megawatowych jednostek klientowi w Polsce, kolejne dwa w Rumunii i garść w Wielkiej Brytanii. Kugelmass mówi, że jego własność intelektualna nie polega na sprawdzonych komponentach, ale na tym, jak je wszystkie połączyć. Do tej pory zebrał 24 miliony dolarów Gigafundi oczekuje, że pierwsze reaktory w Polsce zostaną uruchomione w 2025 r. W celu sfinansowania maszyn Last Energy zawiera długoterminowe umowy na zakup energii, obiecując klientom dziesięciolecia bezemisyjnej energii jądrowej po cenach niższych niż rynkowe. „Udało nam się wykroić pożądaną niszę, której nikt nie szukał” — mówi Kugelmass. „Zakreśliliśmy całą operację czarną skrzynką”.

Jakkolwiek kusząca może być obietnica fuzji, jeśli Kugelmass postawi na swoim, konkurencyjne realia ustalonego, niezawodnego rozszczepienia mogą jeszcze zepchnąć swojego nowego kuzyna na śmietnik heroicznych klap technologicznych - pamiętasz Betamax, Google Glass i New Coke?

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