Národné laboratórium odomkne jadrovú fúziu – skutočný prielom, zákon o novinkách alebo oboje?

Njadrová fúzia je už dlho svätým grálom skutočne čistej energie. Rozbíjanie atómov vodíka sľubuje neobmedzenú elektrinu s nulovými emisiami uhlíka, minimom rádioaktívneho odpadu a nulovou pravdepodobnosťou katastrofického roztavenia. Ale už pol storočia boli vedci v oblasti jadrovej fúzie limitovaní silou svojich laserov a silou ich magnetických polí – nikdy predtým neprišli na to, ako z ich rozbitia atómov vydolovať viac energie, než do nej vložili. Až doteraz.

Dnes vedci na National Ignition Facility na Národné laboratórium Lawrence Livermore (LLNL) v Kalifornii odhalí, že začiatkom decembra sa im po prvý raz podarilo dosiahnuť energetický zisk vyšší ako 1 – to znamená, že viac energie sa uvoľnilo z reakcií v ich deutériovo-tríciovom palivovom puzdre (2,000 XNUMX megajoulov). než bola obsiahnutá v 192 lasery že to odpálili.

Je to veľká vec, ktorá stojí za to osláviť, ale je to trochu vopred rozhodnuté, hovorí Debra Callahanová, fyzička plazmy, ktorá nedávno opustila fúzny tím LLNL a stala sa vedeckou riaditeľkou pri spustení. Sústredená energia, ktorá už pracuje na komercializácii tohto prístupu.

Callahan vedel, že LLNL dosiahne čistý energetický zisk po tom, čo minulý rok dosiahli energetický výstup 72 % svojich laserových energetických vstupov. "Nie je to pre mňa prekvapenie. Vzhľadom na cestu výsledkov, ktoré sme videli, malo sa to stať,“ hovorí. Potrebovali len trochu viac výkonu lasera. Ako to teda funguje? Predstavte si malý dutý valec vyrobený zo zlata, ktorý sa vám zmestí do dlane. To sa nazýva hohlraum. Vo vnútri hohlraumu je malá palivová kapsula, v ktorej sú atómy deutéria a trícia.

Používajú zlato, pretože drží v röntgenových lúčoch, ktoré vznikajú, keď odpália jeden koniec hohlraumu 173 najvýkonnejšími lasermi na svete. Callahan hovorí: "Je to ako röntgenová pec," ktorá stlačí palivo natoľko, že imploduje a zapáli fúziu medzi atómami v strede kapsuly. Fúzia sa potom šíri vo vlne zo stredu a vyžaruje obrovské teplo. To všetko sa deje za miliardtinu sekundy.

Prečo Callahan opustil LLNL, keď boli na vrchole úspechu? Pretože, hovorí, National Ignition Facility nie je fúzny stroj. Hohlraum je skvelé na demonštráciu vznietenia, ale nie je nevyhnutne dostatočne účinné na vytváranie nepretržitej pulznej fúzie, pretože toľko zvyškovej laserovej energie sa stráca pri zahrievaní zlata a nie vodíkového paliva. Takže v spoločnosti Focused Energy (s podporou Laboratórium primárnych hýbateľov a Noví spoločníci podniku) ich plánom je odhodiť hohlraum a namiesto toho použiť prístup „priameho pohonu“ – vystreľovanie laserov priamo na palivovú kapsulu (pozri schému).

Zatiaľ nepreukázali, že to funguje, ale Callahan je presvedčený, že za pár rokov ich pilotný projekt dosiahne 10-násobný energetický zisk. Potom bude nasledovať druhá elektráreň s 30-násobným ziskom, po ktorej bude nasledovať to, čo na konci tridsiatych rokov 2030. storočia bude ich prvým komerčným generátorom, ktorý, dúfajme, dosiahne 100-násobný energetický zisk a každú sekundu odpáli 10 palivových kapsúl.

V tom však spočíva osobitná výzva. Pri rýchlosti 10 za sekundu by ich stroj spotreboval takmer 900,000 XNUMX kapsúl denne. To nie je ako hádzať uhlie do pece; každá kapsula by musela byť vyrobená podľa prísnych noriem a vstrelená do stroja s dokonalým načasovaním.

***

Je to reálne? Niektorí konkurenti v oblasti fúzie si to nemyslia. General Fusion je spoločnosť zaoberajúca sa jadrovou syntézou so sídlom vo Vancouveri v Kanade, ktorá včera oznámila svoj vlastný míľnik. Jeho prístup sa nazýva magnetizovaná cieľová fúzia a zahŕňa stroj, v ktorom vstrekujú guľu vodíkovej plazmy do stroja a používajú silné magnety na jej držanie pri stláčaní pomocou mechanických piestov, a nie laserov. Generálny riaditeľ Greg Twinney očakáva, že pilotný závod, ktorý General Fusion stavia vo Veľkej Británii, predvedie fúziu v roku 2027, pričom komerčný dizajn bude pripravený začiatkom 2030. rokov 300. storočia. „Keď vidíme takéto správy, nie sme prekvapení,“ hovorí. Prístup LLNL však nemožno extrapolovať do fungujúceho závodu na fúziu, čo je to, čo General Fusion (podporený XNUMX miliónmi dolárov od Jeffa Bezosa, ShopifyOBCHOD
Generálny riaditeľ Tobias Lutke a Temasek, medzi inými) sa rozhodli urobiť to od začiatku. „Všetko, čo robíme, je zamerané na komerčnú elektráreň,“ hovorí. "Ak to funguje vo vedeckom experimente, ale nie je komerčné, tak nás to nezaujíma."

Správy LLNL vyvolali podobnú odpoveď od generálneho riaditeľa Davida Kirtleyho zo startupu zaoberajúceho sa fúziou so sídlom v Seattli helion, podporovaný 600 miliónmi dolárov od technologických magnátov Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman a Jeff Skoll. „Sme nadšení, že pre svoj stroj dosiahli svoje vedecké míľniky,“ hovorí Kirtley. Necíti sa však ohrozený „výskumným zariadením, ktoré nie je určené na výrobu elektriny“. Naproti tomu prevádzka 60 stôp dlhého fúzneho stroja Helion zahŕňa vstrekovanie plazmových guľôčok na oboch koncoch a ich vzájomné rozbíjanie v reakcii 100 miliónov stupňov riadenej intenzívnymi magnetickými poľami. V novom systéme Helion sa energia uvoľnená pri fúznych reakciách neustále tlačí von proti svojmu magnetickému poľu, ktoré sa tlačí späť - čo spôsobuje oscilácie „ako piest,“ hovorí Kirtley, ktoré generujú elektrický prúd, ktorý Helion zachytáva priamo z reaktora. (Pre viac čítajte ďalej Faradayov indukčný zákon.)

Helion stavia svoj siedmy prototyp a navrhuje svoj ôsmy, o ktorom Kirtley dúfa, že bude prvým komerčným fúznym generátorom – pravdepodobne pripojeným k elektrickej sieti do konca tohto desaťročia, ak všetko pôjde správne. Hovorí, že federálne jadrové regulátory sú pripravené podrobiť svoj stroj rovnakým pravidlám ako urýchľovače častíc a typ zobrazovacích zariadení používaných v nemocniciach.

A existuje mnoho ďalších spoločností, ktoré sledujú najzaujímavejší prístup k fúzii – tzv tokamak koncept, v ktorom sú guľôčky plazmy vstrekované do komory reaktora v tvare dutej šišky, riadenej silnými magnetickými poľami. Commonwealth Fusion, spinoff MIT, sa snaží zdokonaliť tokamak pomocou ultra vysokoteplotných supravodivých materiálov, o ktorých si generálny riaditeľ Bob Mumgaard myslí, že im umožnia mať funkčné fúzne zariadenie do konca desaťročia. To isté platí pre General Atomics so sídlom v San Diegu (najznámejšie za vynájdenie dronu Predator), ktorá desiatky rokov prevádzkuje tokamak pre rezort energetiky a navrhuje nový stroj. GA tiež postavila pravdepodobne najsilnejší magnet na svete, nazývaný centrálny solenoid, pre najväčší projekt fúzie na svete, 30 miliárd dolárov ITER vo výstavbe vo Francúzsku. Ak budú mať ostatné fúzne startupy svoj spôsob, ITER bude zastaraný skôr, ako bude dokončený niekedy v nasledujúcom desaťročí. Spoločnosť GA (vlastnená miliardárom Nealom Blueom) rozširuje svoje stávky a spolupracuje s laboratóriom Savannah River National Lab na výrobe palivových peliet pre laserové fúzne stroje, ako sú LLNR a Focused Energy.

S kýmkoľvek hovoríte v oblasti fúzie, ich kritika dlho zavedených jadrových štiepnych reaktorov je rovnaká. Štiepne reakcie (pri ktorých sa rozbijú veľké atómy obohateného uránu) poskytujú rádioaktívny odpad vrátane plutónia a nebezpečných aktinoidov, ktoré možno použiť ako zbrane. Na rozdiel od fúzie, ktorú je ťažké spustiť a ľahko zastaviť, štiepne reakcie sa ľahko začínajú a ťažko sa zastavujú, čo predstavuje riziko katastrofických roztavení. Novšie vzory, ako napr Westinghouse AP1000 štiepny reaktor, ktorý je vo výstavbe v USA aj v Číne, má pasívne bezpečnostné opatrenia a je prakticky odolný voči roztaveniu.

***

Niektorí atómoví podnikatelia si myslia, že štiepenie je dostatočné. Bret Kugelmass, zakladateľ a generálny riaditeľ spoločnosti Posledná energia, si pred piatimi rokmi stanovila za cieľ navrhnúť najefektívnejší a najhospodárnejší jadrový reaktor na svete. Predtým, ako sa Kugelmass, teraz 36-ročný, ustálil na svojom prístupe, urobil rozhovory so stovkami odborníkov z jadrového priemyslu (a predniesol rozhovory podcast Titans of Nuclear), aby sme získali kolektívnu múdrosť tohto odvetvia. Hoci Kugelmass verí v dlhodobú budúcnosť fúzie, rozhodol sa, že najlepšia svetová stávka na prechod od fosílnych palív spočíva v budovaní modulárnych štiepnych reaktorov najjednoduchším, najlacnejším a najbezpečnejším možným spôsobom. Spoločnosť Last Energy teraz vo svojej továrni neďaleko Houstonu vyrába svoje prvé malé, modulárne tlakovodné reaktory, ktoré využívajú bežné komponenty, ktoré pochádzajú z existujúcich jadrových dodávateľských reťazcov, s technológiou, ktorá bola zdokonalená v priebehu desaťročí a používa sa vo viacerých viac ako 300 reaktorov po celom svete.

Spoločnosť Last Energy už predala 10 zo svojich 20-megawattových jednotiek zákazníkovi v Poľsku, ďalšie dve pre Rumunsko a niekoľko pre Britániu. Kugelmass hovorí, že jeho duševné vlastníctvo nespočíva v osvedčených komponentoch, ale v tom, ako ich dať dokopy. Doteraz získal 24 miliónov dolárov na čele s Gigafunda očakáva, že prvé reaktory v Poľsku budú spustené v roku 2025. Na financovanie strojov uzatvára Last Energy dlhodobé zmluvy o nákupe energie, ktoré zákazníkom sľubujú desaťročia jadrovej energie s nulovými emisiami uhlíka za nižšie ako trhové ceny. „Dokázali sme vyrezať žiaduci výklenok, po ktorom nikto nešiel,“ hovorí Kugelmass. "Celú operáciu sme zaškatuľkovali."

Akokoľvek lákavý môže byť prísľub o fúzii, ak sa Kugelmass presadí, konkurenčná realita zavedeného a spoľahlivého štiepenia by predsa len mohla odsunúť svojho nového bratranca na smetisko hrdinských technologických prepadákov – pamätáte si Betamax, Google Glass a New Coke?

VIAC OD FORBESJadrová fúzia, poháňaná miliardárskymi dolármi, vstupuje do nového vekuBy Christopher HelmanVIAC OD FORBESThe New Nuclear: Ako plánuje jednorožec s fúznou energiou za 600 miliónov dolárov poraziť slnečnú energiuBy Christopher HelmanVIAC OD FORBESTichí miliardári za americkým predátorským dronom, ktorý zabil iránskeho SoleimanihoBy Deniz Çam