National Lab otključava nuklearnu fuziju — istinski proboj, zakon o novitetu ili oboje?

Nuklearna fuzija je dugo bila sveti gral istinski čiste energije. Razbijanje atoma vodika obećava neograničenu električnu energiju uz nultu emisiju ugljika, minimum radioaktivnog otpada i nultu mogućnost katastrofalnog topljenja. Ali pola vijeka naučnici fuzije bili su ograničeni snagom svojih lasera i snagom magnetnih polja – nikad prije nisu smislili kako da izmuze više energije iz svog atoma koji razbija atom nego što su uložili. Do sada.

Danas naučnici na Nacionalna ustanova za paljenje u Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) u Kaliforniji će otkriti da su početkom decembra, po prvi put, uspjeli postići energetski dobitak veći od 1 - to jest, više energije je emitirano iz reakcija unutar njihove kapsule goriva deuterijum-tricijum (2,000 megadžula) nego što je bilo sadržano u 192 lasera sa kojima su ga razneli.

To je velika stvar, vrijedna slavljenja, ali donekle unaprijed, kaže Debra Callahan, fizičarka plazme koja je nedavno napustila tim za fuziju LLNL-a kako bi postala naučni direktor pri pokretanju Fokusirana energija, koja već radi na komercijalizaciji pristupa.

Callahan je znao da će LLNL postići neto energetski dobitak nakon što su prošle godine dostigli izlaznu energiju od 72% njihove laserske energije. “Za mene to nije iznenađenje. S obzirom na put rezultata koje smo viđali, trebalo je da se desi”, kaže ona. Trebalo im je samo malo više snage lasera. Pa kako to funkcionira? Zamislite mali šupalj cilindar od zlata koji staje na dlan. To se zove hohlraum. Unutar hohlrauma nalazi se sićušna kapsula goriva unutar koje se nalaze atomi deuterijuma i tricijuma.

Koriste zlato jer zadržava rendgenske zrake koje nastaju kada eksplodiraju oba kraja hohlrauma sa 173 najmoćnija lasera na svijetu. Callahan kaže: „To je kao rendgen pećnica“, koja toliko komprimira gorivo da ono implodira i zapali fuziju između atoma u središtu kapsule. Fuzija se zatim širi u talasu iz centra, emitujući ogromnu toplotu. Sve se ovo dešava u milijardnom delu sekunde.

Zašto je Callahan napustio LLNL kada su bili na pragu uspjeha? Jer, kaže ona, National Ignition Facility nije mašina za fuziju. Hohlraum je odličan za demonstriranje paljenja, ali nije nužno dovoljno efikasan za inženjering kontinuirane impulsne fuzije jer se toliko preostale laserske energije gubi u zagrijavanju zlata umjesto vodikovog goriva. Dakle, u Focused Energy (podržano od Prime Movers Lab i New Enterprise Associates) njihov plan je da odbace hohlraum i umjesto toga koriste pristup "direktnog pogona" - eksploziju lasera direktno na kapsulu goriva (pogledajte shemu).

Još uvijek nisu pokazali da funkcionira, ali Callahan je uvjeren da će za nekoliko godina njihov pilot projekat postići 10x energetski dobitak. Nakon toga će uslijediti druga elektrana koja će dostići 30x dobit, nakon čega će uslijediti ono što će krajem 2030-ih biti njihov prvi komercijalni generator, nadamo se da će postići 100x energetski dobitak i izbaciti 10 kapsula goriva svake sekunde.

Ali tu je ležao poseban izazov. Sa 10 u sekundi, njihova mašina bi koristila skoro 900,000 kapsula dnevno. Ovo nije kao bacanje uglja u peć; svaka kapsula bi morala biti proizvedena prema strogim standardima i ubačena u mašinu u savršenom vremenu.

***

Je li to realno? Neki konkurenti u fuziji ne misle tako. General Fusion je kompanija za fuziju sa sjedištem u Vancouveru, Kanada koja je jučer objavila svoju prekretnicu. Njegov pristup se zove magnetizirana ciljna fuzija i uključuje mašinu u kojoj ubrizgavaju lopticu vodikove plazme u mašinu i koriste snažne magnete da je drže dok kompresuju mehaničkim klipovima, a ne laserima. Izvršni direktor Greg Twinney očekuje da će pilot postrojenje koje General Fusion gradi u Velikoj Britaniji demonstrirati fuziju 2027. godine, a komercijalni dizajn će biti spreman početkom 2030-ih. “Kada vidimo ovakve vijesti, nismo iznenađeni,” kaže on. Ali pristup LLNL-a ne može se ekstrapolirati u funkcionalno postrojenje za fuziju, što je ono što General Fusion (podržan s 300 miliona dolara od Jeffa Bezosa, ShopifyPRODAVNICA
Izvršni direktor Tobias Lutke i Temasek, između ostalih) krenuli su da rade od početka. „Sve što radimo fokusirano je na komercijalnu elektranu“, kaže on. “Ako radi u naučnom eksperimentu, ali nije komercijalan, to nas ne zanima.”

Vijesti LLNL-a izazvale su sličan odgovor od strane izvršnog direktora Davida Kirtleya iz fuzionog startup-a iz Seattlea Helion, koju podržavaju 600 miliona dolara tehnološki tajkuni Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman i Jeff Skoll. "Uzbuđeni smo što su postigli svoje naučne prekretnice za svoju mašinu", kaže Kirtley. Ali on se ne osjeća ugroženim od “istraživačkog uređaja koji nije dizajniran da proizvodi električnu energiju”. Nasuprot tome, rad Helionove 60 stopa dugačke mašine za fuziju uključuje ubrizgavanje plazma kuglica na svaki kraj, razbijajući ih zajedno u reakciji od 100 miliona stepeni koju kontrolišu intenzivni magnetna polja. U Helionovom novom sistemu, energija oslobođena u reakcijama fuzije kontinuirano se gura prema njegovom magnetnom zaštitnom polju, koje se gura nazad – uzrokujući oscilacije „poput klipa“, kaže Kirtley, koje stvaraju električnu struju, koju Helion hvata direktno iz reaktora. (Za više, čitajte dalje Faradejev zakon indukcije.)

Helion gradi svoj 7. prototip i dizajnira svoj osmi, za koji se Kirtley nada da će biti prvi komercijalni fuzioni generator - vjerovatno povezan na električnu mrežu do kraja ove decenije, ako sve bude kako treba. On kaže da su savezni nuklearni regulatori spremni da podvrgnu svoju mašinu istim pravilima kao i akceleratori čestica i vrste mašina za snimanje koje se koriste u bolnicama.

I postoji mnogo drugih kompanija koje sprovode najutvrđeniji pristup fuziji - tokamak koncept, u ​​kojem se kuglice plazme ubrizgavaju u reaktorsku komoru u obliku šuplje krofne, koju kontroliraju moćna magnetna polja. Commonwealth Fusion, spinoff MIT-a, nastoji usavršiti tokamak korištenjem ultra-visokih temperaturnih supravodljivih materijala za koje CEO Bob Mumgaard misli da će im omogućiti da imaju radni fuzioni uređaj do kraja decenije. Isto važi i za General Atomics sa sjedištem u San Diegu (najpoznatiji za izum drona Predator), koja već decenijama upravlja tokamakom za Ministarstvo energetike i dizajnira novu mašinu. GA je također izgradio vjerovatno najmoćniji magnet na svijetu, nazvan centralni solenoid, za najveći svjetski projekat fuzije, 30 milijardi dolara ITER u izgradnji u Francuskoj. Ako drugi fuzijski startupi budu imali svoj način, ITER će biti zastario prije nego što bude završen negdje sljedeće decenije. Šireći svoje opklade, GA (u vlasništvu milijardera Neala Bluea) ima partnerstvo sa Savannah River National Lab za proizvodnju peleta goriva za laserske fuzione mašine kao što su LLNR i Focused Energy.

S kim god da razgovarate u oblasti fuzije, njihove kritike davno uspostavljenih nuklearnih fisijskih reaktora su iste. Reakcije fisije (u kojima se veliki atomi obogaćenog uranijuma razbijaju) stvaraju radioaktivni otpad uključujući plutonijum i opasne aktinide koji se mogu koristiti oružjem. Za razliku od fuzije, koju je teško pokrenuti i lako zaustaviti, reakcije fisije je lako pokrenuti i teško zaustaviti, uvodeći rizik od katastrofalnih raspada. Noviji dizajni, poput Westinghouse AP1000 fisijski reaktor, koji se gradi u SAD-u i Kini, ima pasivne sigurnosne mjere i praktično je otporan na topljenje.

***

Neki atomski preduzetnici misle da je fisija dovoljna. Bret Kugelmass, osnivač i izvršni direktor Last Energy, krenuo je prije pet godina da osmisli najefikasniji i najekonomičniji nuklearni reaktor na svijetu. Prije nego što se odlučio na svoj pristup, Kugelmass, sada 36, ​​intervjuirao je stotine stručnjaka za nuklearnu industriju (i stavio razgovore na svoje Titans of Nuclear podcast) kako bi stekli kolektivnu mudrost industrije. Iako vjeruje u dugoročnu budućnost fuzije, Kugelmass je utvrdio da je najbolja opcija na svijetu za prelazak sa fosilnih goriva u izgradnju modularnih fisionih reaktora na najjednostavniji, najjeftiniji i najsigurniji mogući način. U svojoj fabrici u blizini Houstona, Last Energy sada proizvodi svoje prve male, modularne reaktore sa vodom pod pritiskom, koji koriste gotove komponente, nabavljene preko postojećih nuklearnih lanaca snabdevanja, sa tehnologijom koja se usavršavala decenijama i koristi se u više preko 300 reaktora širom sveta.

Last Energy je već prodao 10 svojih jedinica od 20 megavata kupcu u Poljskoj, još dvije za Rumuniju i šačicu za Britaniju. Kugelmass kaže da njegovo intelektualno vlasništvo nije u dokazanim komponentama, već u tome kako ih sve spojiti. Do sada je prikupio 24 miliona dolara na čelu sa Gigafund, i očekuje da će prvi reaktori u Poljskoj početi raditi 2025. Za financiranje mašina, Last Energy ulazi u dugoročne ugovore o kupovini energije obećavajući kupcima decenije nuklearne energije bez ugljenika po cijenama ispod tržišnih. „Uspeli smo da odvojimo poželjnu nišu za kojom niko nije išao,“ kaže Kugelmass. “Stavili smo crnu kutiju cijelu operaciju.”

Koliko god obećanje fuzije bilo primamljivo, ako Kugelmass ima svoj način, konkurentna stvarnost uspostavljene, pouzdane fisije ipak bi mogla izbaciti svog novog rođaka na smetlište herojskih tehnoloških promašaja – sjećate se Betamaxa, Google Glassa i New Coca-a?

VIŠE OD FORBESAPotaknuta dolarima milijardera, nuklearna fuzija ulazi u novo dobaBy Christopher HelmanVIŠE OD FORBESANova nuklearna energija: Kako Unicorn vrijedan 600 miliona dolara fuzijske energije planira pobijediti solarnuBy Christopher HelmanVIŠE OD FORBESATihi milijarderi iza američkog drona Predator koji je ubio iranskog SulejmanijaBy Deniz Çam