National Lab avab tuumasünteesi – tõeline läbimurre, uudsuse seadus või mõlemad?

Ntuumasünteesi on pikka aega olnud tõeliselt puhta energia Püha Graal. Vesinikuaatomite kokkulöömine tõotab piiramatut elektrit ilma süsinikuheiteta, minimaalse radioaktiivsete jäätmete ja katastroofilise kokkuvarisemise tõenäosuse nulli. Kuid pool sajandit on tuumasünteesiteadlasi piiranud nende laserite võimsus ja magnetväljade tugevus – nad pole kunagi varem välja mõelnud, kuidas oma aatomi purustamisest rohkem energiat välja lüpsta, kui nad sisse panid. Siiani.

Tänapäeval töötavad teadlased Riiklik süüteseade kell Lawrence Livermore'i riiklik labor (LLNL) Californias paljastab, et detsembri alguses on neil esimest korda õnnestunud saavutada energiakasv, mis on suurem kui 1 – see tähendab, et nende deuteeriumi-triitiumi kütusekapsli sees (2,000 megadžauli) eraldusid reaktsioonidest rohkem energiat. kui see sisaldus 192 laserit millega nad seda lõhkasid.

See on suur asi, väärib tähistamist, kuid mõnevõrra ettenägelik, ütleb plasmafüüsik Debra Callahan, kes lahkus hiljuti LLNL-i termotuumasünteesi meeskonnast, et saada käivitamise teadusdirektoriks. Fokuseeritud energia, mis juba töötab selle lähenemisviisi turustamise nimel.

Callahan teadis, et LLNL saavutab netoenergia kasvu pärast seda, kui eelmisel aastal saavutas nende laserenergia sisendenergia 72%. "See pole mulle üllatus. antud tulemuste tee, mida olime näinud, see pidi juhtuma,” ütleb ta. Nad vajasid lihtsalt veidi rohkem laservõimsust. Kuidas see siis töötab? Kujutage ette väikest kullast õõnsat silindrit, mis mahub teie peopessa. Seda nimetatakse hohlraum. Hohlraumi sees on väike kütusekapsel, mille sees on deuteeriumi ja triitiumi aatomid.

Nad kasutavad kulda, kuna see hoiab endas röntgenikiirte, mis tekivad hohlraumi mõlema otsa puhumisel 173 maailma võimsaima laseriga. Callahan ütleb: "See on nagu röntgeniahi", mis surub kütuse nii palju kokku, et see plahvatab ja süttib kapsli keskel olevate aatomite ühinemise. Sulandumine levib seejärel laineliselt keskelt, eraldades tohutut soojust. Kõik see juhtub miljardiksekundi jooksul.

Miks Callahan LLNL-ist lahkus, kui nad olid edu tipul? Sest ta ütleb, et National Ignition Facility ei ole termotuumasin. Hohlraum on suurepärane süüte demonstreerimiseks, kuid see ei pruugi olla piisavalt tõhus pideva impulsssulandumise projekteerimiseks, sest nii palju laseri jääkenergiat läheb kaotsi pigem kulla kui vesinikkütuse kuumutamisel. Nii et Focused Energy'is (toetatud Prime Movers Lab ja Uued ettevõtete sidusettevõtted) nende plaan on hohlraum ära visata ja selle asemel kasutada "otseajamiga" lähenemist – laserite otse kütusekapslisse puhumist (vt skeemi).

Nad ei ole veel tõestanud, et see töötab, kuid Callahan on kindel, et paari aasta pärast saavutab nende pilootprojekt 10-kordse energiakasu. Sellele järgneb teine ​​jaam, mis saavutab 30-kordse võimenduse, millele järgneb 2030. aastate lõpus nende esimene kaubanduslik generaator, mis loodetavasti saavutab 100-kordse energiakasvu ja õhkab igas sekundis 10 kütusekapslit.

Kuid selles peitus eriline väljakutse. Kiirus 10 sekundis kasutaks nende masin ligi 900,000 XNUMX kapslit päevas. See ei ole nagu kivisöe ahju kühveldamine; iga kapsel tuleb valmistada rangete standardite järgi ja tulistada masinasse täiusliku ajastusega.

***

Kas see on realistlik? Mõned termotuumasünteesi konkurendid nii ei arva. General Fusion on Kanadas Vancouveris asuv termotuumasünteesiettevõte, mis teatas eile omaenda verstapostist. Selle lähenemisviisi nimetatakse magnetiseeritud sihtmärgi sulandumiseks ja see hõlmab masinat, kus nad süstivad masinasse vesinikplasma palli ja kasutavad selle hoidmiseks võimsaid magneteid, surudes kokku mehaaniliste kolbidega, mitte laseritega. Tegevjuht Greg Twinney loodab, et Ühendkuningriigis ehitatav piloottehas General Fusion demonstreerib termotuumasünteesi 2027. aastal ja ärikujundus valmib 2030. aastate alguses. "Kui me selliseid uudiseid näeme, pole me üllatunud," ütleb ta. Kuid LLNL-i lähenemisviisi ei saa ekstrapoleerida töötavale termotuumasünteesitehasele, mida General Fusion (toetab 300 miljonit dollarit Jeff Bezoselt, ShopifyPOOD
Tegevjuht Tobias Lutke ja Temasek tegid seda algusest peale. "Kõik, mida me teeme, on keskendunud kaubanduslikule elektrijaamale, " ütleb ta. "Kui see töötab teaduseksperimendis, kuid ei ole kommertslik, siis me ei ole sellest huvitatud."

LLNL-i uudised tekitasid sarnase vastuse Seattle'is asuva termotuumasünteesi idufirma tegevjuhilt David Kirtleylt helion, mida toetavad 600 miljonit dollarit tehnoloogiamagnaatidest Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman ja Jeff Skoll. "Oleme põnevil, et nad saavutasid oma masina jaoks teaduse verstapostid, " ütleb Kirtley. Kuid ta ei tunne end ohustatuna "uurimisseadmest, mis ei ole mõeldud elektri tootmiseks". Seevastu Helioni 60 jala pikkuse termotuumasina töö hõlmab plasmapallide süstimist mõlemasse otsa, purustades need kokku 100 miljoni kraadise reaktsiooniga, mida juhivad intensiivsed magnetväljad. Helioni uudses süsteemis surub termotuumasünteesi reaktsioonides vabanev energia pidevalt välja selle magnetilise kaitsevälja vastu, mis surub tagasi - põhjustades võnkumisi "nagu kolb", ütleb Kirtley, mis tekitab elektrivoolu, mille Helion haarab otse reaktorist. (Lisateabe saamiseks lugege edasi Faraday induktsiooniseadus.)

Helion ehitab oma seitsmendat prototüüpi ja kavandab 7. prototüüpi, millest Kirtley loodab, et see on esimene kaubanduslik termotuumasünteesi generaator – võimalik, et selle kümnendi lõpuks elektrivõrguga ühendatud, kui kõik läheb õigesti. Ta ütleb, et föderaalsed tuumaregulaatorid alluvad oma masinatele samadele reeglitele nagu osakeste kiirendid ja haiglates kasutatavad pilditöötlusmasinad.

Ja on palju teisi ettevõtteid, kes järgivad termotuumasünteesi kõige väljakujunenud lähenemisviisi tokamak kontseptsioon, mille puhul plasmapallid süstitakse õõnsa sõõrikukujulisse reaktorikambrisse, mida juhivad võimsad magnetväljad. Commonwealth FusionMIT-i spinoff püüab tokamaki täiustada, kasutades ülikõrge temperatuuriga ülijuhtivaid materjale, mis tegevjuhi Bob Mumgaardi arvates võimaldavad neil kümnendi lõpuks saada toimiva termotuumasünteesiseadme. Sama kehtib San Diegos asuva General Atomicsi kohta (kõige tuntum Predator drooni leiutamise eest), mis on aastakümneid opereerinud energeetikaministeeriumi tokamakiga ja projekteerib uut masinat. GA ehitas ka vaieldamatult maailma võimsaima magneti, mida nimetatakse keskseks solenoidiks, maailma suurima termotuumasünteesiprojekti jaoks. 30 miljardit dollarit ITER ehitatakse Prantsusmaal. Kui teised termotuumasünteesi käivitusettevõtted on oma teed, on ITER aegunud enne, kui see millalgi järgmisel kümnendil valmis saab. Oma panuseid laiali ajades teeb GA (omanduses miljardär Neal Blue) koostööd Savannah Riveri riikliku laboriga, et toota kütusegraanuleid laseripõhistele termotuumasünteesimasinatele, nagu LLNR ja Focused Energy.

Ükskõik, kellega te termotuumasünteesi valdkonnas räägite, on nende kriitika kauaaegsete tuumalõhustumisreaktorite kohta sama. Lõhustumisreaktsioonid (mille käigus lagunevad suured rikastatud uraani aatomid) annavad radioaktiivseid jäätmeid, sealhulgas plutooniumi ja ohtlikke aktiniidid, mida saab relvastada. Erinevalt termotuumasünteesist, mida on raske alustada ja mida on lihtne peatada, on lõhustumisreaktsioone lihtne alustada ja raske peatada, mis toob kaasa katastroofilise sulamise ohu. Uuemad kujundused, näiteks Westinghouse AP1000 Nii USA-s kui ka Hiinas ehitatav lõhustumisreaktor sisaldab passiivseid ohutusmeetmeid ja on peaaegu sulamiskindel.

***

Mõned aatomiettevõtjad arvavad, et lõhustumisest piisab. Bret Kugelmass, asutaja ja tegevjuht Viimane energia, asus viis aastat tagasi välja töötama maailma kõige tõhusama ja ökonoomsema tuumareaktori. Enne oma lähenemisviisi otsustamist intervjueeris praegu 36-aastane Kugelmass sadu tuumatööstuse eksperte (ja pani kõned tema Titans of Nucleari taskuhäälingusaade), et koguda tööstuse kollektiivset tarkust. Kuigi Kugelmass usub termotuumasünteesi pikaajalisse tulevikku, otsustas Kugelmass, et fossiilkütustelt loobumiseks on maailma parim võimalus ehitada modulaarsed lõhustumisreaktorid võimalikult lihtsal, odavamal ja ohutumal viisil. Last Energy toodab oma Houstoni lähedal asuvas tehases nüüd oma esimesi väikeseid, modulaarseid surveveereaktoreid, mis kasutavad valmiskomponente, mis on hangitud olemasolevate tuumaenergia tarneahelate kaudu, tehnoloogiaga, mida on aastakümnete jooksul täiustatud ja mida kasutatakse rohkem üle 300 reaktori üle maailma.

Last Energy on juba müünud ​​10 oma 20-megavatist seadet kliendile Poolas, kaks veel Rumeeniale ja käputäie Suurbritanniale. Kugelmassi sõnul ei seisne tema intellektuaalomand mitte tõestatud komponentides, vaid selles, kuidas need kõik kokku panna. Siiani on ta kogunud 24 miljonit dollarit Gigafund, ning eeldab, et esimesed reaktorid Poolas tööle hakkavad 2025. aastal. Masinate rahastamiseks sõlmib Last Energy pikaajalised elektri ostulepingud, mis lubavad klientidele aastakümneid süsinikdioksiidivaba tuumaenergiat turuhinnast madalamate hindadega. "Me suutsime välja nikerdada ihaldusväärse niši, mida keegi ei otsinud," ütleb Kugelmass. "Me panime kogu operatsiooni musta kasti."

Nii ahvatlev kui termotuumasünteesi lubadus ka poleks, kui Kugelmass on omal jõul, võib väljakujunenud ja usaldusväärse lõhustumise konkurentsireaalsus siiski viia tema uue nõbu kangelaslike tehniliste floppide prügikasti – mäletate Betamaxit, Google Glassi ja uut koksi?

ROHKEM KONKURSIDESTMiljardäride dollarite jõul siseneb tuumasünteesi uude ajastusseBy Christopher HelmanROHKEM KONKURSIDESTUus tuumaenergia: kuidas 600 miljoni dollari suurune termotuumasünteesi ükssarvik plaanib päikeseenergiat võitaBy Christopher HelmanROHKEM KONKURSIDESTVaiksed miljardärid Ameerika kiskjadrooni taga, mis tappis Iraani SoleimaniBy Deniz Çam