Historisk først: Inde i National Ignition Facility, hvor 192 laserstråler i sidste uge sprængte en brintbrændstofpellet, som udsendte mere energi, end den optog.
Lawrence Livermore National Laboratory
Nuclear fusion har længe været den hellige gral af virkelig ren energi. Sammensmeltningen af brintatomer lover grænseløs elektricitet med nul kulstofemissioner, et minimum af radioaktivt affald og nul chance for katastrofal nedsmeltning. Men i et halvt århundrede har fusionsforskere været begrænset af kraften i deres lasere og styrken af deres magnetiske felter - aldrig før de har fundet ud af, hvordan de kan malke mere energi ud af deres atomsmadren, end de har lagt i. Indtil nu.
I dag er forskere ved National tændingsfacilitet ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Californien vil afsløre, at de i begyndelsen af december for første gang har formået at opnå en energiforøgelse på mere end 1 - det vil sige, at der blev udsendt mere energi fra reaktionerne inde i deres deuterium-tritium brændstofkapsel (2,000 megajoule) end der var indeholdt i 192 lasere som de sprængte den med.
Det er en stor ting, værd at fejre, men noget af en forudsigelse, siger Debra Callahan, en plasmafysiker, der for nylig forlod LLNL-fusionsteamet for at blive videnskabelig direktør ved opstart Fokuseret energi, som allerede arbejder på at kommercialisere tilgangen.
Callahan vidste, at LLNL ville opnå nettoenergigevinst, efter at de sidste år nåede en energiproduktion på 72% af deres laserenergiinput. "Det er ikke en overraskelse for mig. På grund af sti af resultater, vi havde set, det skulle ske,” siger hun. De havde bare brug for lidt mere laserkraft. Så hvordan virker det? Forestil dig en lille hul cylinder lavet af guld, der passer i din håndflade. Det kaldes hohlraum. Inde i hohlraumen går en lille brændstofkapsel inde i hvilken der er deuterium- og tritiumatomer.
De bruger guld, fordi det holder i de røntgenstråler, der produceres, når de sprænger hver ende af hohlraumen med 173 af verdens kraftigste lasere. Callahan siger: "Det er ligesom en røntgenovn," som komprimerer brændstoffet så meget, at det imploderer og antænder fusion mellem atomer i midten af kapslen. Fusionen forplanter sig derefter ud i en bølge fra midten og udsender enorm varme. Alt dette sker på en milliardtedel af et sekund.
I metoden med inertial indeslutning til fusion sprænger laserstråler en pellet, der indeholder brintisotoper, og antænder en fusionsreaktion.
Fokuseret energi
Hvorfor forlod Callahan LLNL, da de var på nippet til succes? Fordi, siger hun, National Ignition Facility er ikke en fusionsmaskine. Hohlraumen er fantastisk til at demonstrere tænding, men den er ikke nødvendigvis effektiv nok til at udvikle kontinuerlig pulseret fusion, fordi så meget resterende laserenergi går tabt ved opvarmning af guldet i stedet for brintbrændstoffet. Så hos Focused Energy (støttet af Prime Movers Lab , Nye Enterprise Associates) deres plan er at kassere hohlraumen og i stedet bruge en "direct drive"-tilgang - sprængning af laserne direkte på en brændstofkapsel (se skematisk).
De har endnu ikke demonstreret, at det virker, men Callahan er overbevist om, at deres pilotprojekt om et par år vil opnå en 10x energigevinst. Det vil blive efterfulgt af et andet anlæg, der når 30x forstærkning, efterfulgt af det, der i slutningen af 2030'erne ville være deres første kommercielle generator, der forhåbentlig opnår en 100x energiforstærkning og sprænger 10 brændstofkapsler hvert sekund.
Men deri lå en særlig udfordring. Med 10 i sekundet ville deres maskine bruge næsten 900,000 kapsler om dagen. Det er ikke som at skovle kul ind i en ovn; hver kapsel skulle fremstilles efter strenge standarder og skydes ind i maskinen med perfekt timing.
***
Er det realistisk? Nogle fusionskonkurrenter mener det ikke. General Fusion er et Vancouver, Canada-baseret fusionsfirma, der i går annoncerede sin egen milepæl. Dens tilgang kaldes magnetiseret målfusion og involverer en maskine, hvor de sprøjter en kugle af hydrogenplasma ind i maskinen og bruger kraftige magneter til at holde den, mens de komprimerer med mekaniske stempler i stedet for lasere. Administrerende direktør Greg Twinney forventer, at pilotanlægget General Fusion bygger i Storbritannien for at demonstrere fusion i 2027, med kommercielt design klar i begyndelsen af 2030'erne. "Når vi ser nyheder som denne, bliver vi ikke overraskede," siger han. Men LLNL's tilgang kan ikke ekstrapoleres til et fungerende fusionsanlæg, hvilket er hvad General Fusion (støttet af $300 millioner fra Jeff Bezos, Shopify
Prototypemaskine under udvikling af Vancouver-baserede General Fusion.
General Fusion
LLNL-nyhederne genererede et lignende svar fra CEO David Kirtley fra Seattle-baseret fusionsstartup helion, støttet af $600 millioner fra tech-magnaterne Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman og Jeff Skoll. "Vi er glade for, at de har nået deres videnskabelige milepæle for deres maskine," siger Kirtley. Men han føler sig ikke truet af "en forskningsenhed, der ikke er designet til at lave elektricitet." I modsætning hertil involverer driften af Helions 60 fod lange fusionsmaskine at injicere plasmakugler i hver ende og smadre dem sammen i en 100 millioner graders reaktion styret af intense magnetfelter. I Helions nye system skubber energien, der frigives i fusionsreaktionerne, kontinuerligt ud mod dets magnetiske indeslutningsfelt, som skubber tilbage - hvilket forårsager oscillationer "som et stempel," siger Kirtley, der genererer en elektrisk strøm, som Helion fanger direkte fra reaktoren. (For mere, læs videre Faradays lov om induktion.)
Helion bygger sin 7. prototype og designer sin 8., som Kirtley håber vil være den første kommercielle fusionsgenerator - muligvis forbundet til elnettet ved udgangen af dette årti, hvis alt går rigtigt. Han siger, at føderale nukleare regulatorer ser ud til at udsætte deres maskine for de samme regler som partikelacceleratorer og den slags billedbehandlingsmaskiner, der bruges på hospitaler.
Og der er masser af andre virksomheder, der forfølger den mest etablerede tilgang til fusion - tokamakken koncept, hvor kugler af plasma sprøjtes ind i et reaktorkammer formet som en hul doughnut, styret af kraftige magnetfelter. Commonwealth Fusion, en MIT-spinoff, søger at perfektionere tokamak ved hjælp af superledende materialer med ultrahøj temperatur, som administrerende direktør Bob Mumgaard mener vil gøre dem i stand til at have en fungerende fusionsenhed ved udgangen af årtiet. Det samme gælder for San Diego-baserede General Atomics (mest kendt for at opfinde Predator-dronen), som har drevet en tokamak for Department of Energy i årtier og er ved at designe en ny maskine. GA byggede også uden tvivl verdens mest kraftfulde magnet, kaldet den centrale solenoide, til verdens største fusionsprojekt af alle, $30 milliarder ITER under opførelse i Frankrig. Hvis de andre fusionsstartups har deres vilje, vil ITER være forældet, før det overhovedet er færdigt engang næste årti. For at sprede sine indsatser har GA (ejet af milliardæren Neal Blue) et partnerskab med Savannah River National Lab om at fremstille brændstofpiller til laserbaserede fusionsmaskiner som LLNR og Focused Energy.
Tokamak-tilgangen til magentisk fusion involverer en reaktor formet som en hul doughnut omgivet af kraftige magneter.
Fokuseret energi
Uanset hvem du taler med inden for fusionsområdet, er deres kritik af længe etablerede nukleare fissionsreaktorer den samme. Fissionsreaktioner (hvor store atomer af beriget uran brydes fra hinanden) giver radioaktivt affald, herunder plutonium og farlige aktinider, der kan bevæbnes. I modsætning til fusion, som er svær at starte og let at stoppe, er fissionsreaktioner nemme at starte og svære at stoppe, hvilket introducerer risikoen for katastrofale nedsmeltninger. Nyere design, som f.eks Westinghouse AP1000 fissionsreaktorer, der er under opførelse i både USA og Kina, har passive sikkerhedsforanstaltninger og er praktisk talt nedsmeltningssikker.
***
Nogle atomare entreprenører mener, at fission er tilstrækkeligt. Bret Kugelmass, grundlægger og administrerende direktør for Sidste energi, satte sig for fem år siden for at udtænke verdens mest effektive og økonomiske atomreaktor. Før han besluttede sig for sin tilgang, interviewede Kugelmass, nu 36, hundredvis af eksperter fra atomindustrien (og satte forhandlingerne om hans Titans of Nuclear podcast) for at indsamle industriens kollektive visdom. Selvom han har tro på den langsigtede fremtid for fusion, fastslog Kugelmass, at verdens bedste bud på overgangen væk fra fossile brændstoffer lå i at bygge modulære fissionsreaktorer på den enkleste, billigste og sikreste måde. På sin fabrik nær Houston fremstiller Last Energy nu sine første små, modulære trykvandsreaktorer, som bruger hyldekomponenter, hentet via eksisterende nukleare forsyningskæder, med teknologi, der er blevet perfektioneret gennem årtier og bruges i mere mere end 300 reaktorer på verdensplan.
Allerede nu har Last Energy solgt 10 af sine 20 megawatt-enheder til en kunde i Polen, to mere til Rumænien og en håndfuld til Storbritannien. Kugelmass siger, at hans intellektuelle ejendom ikke er de dokumenterede komponenter, men i hvordan man sætter dem alle sammen. Han har indtil videre rejst 24 millioner dollars ledet af Gigafund, og forventer, at de første reaktorer i Polen kører i 2025. For at finansiere maskinerne indgår Last Energy langsigtede elkøbsaftaler, der lover kunderne årtiers kulstoffri kernekraft til under markedspriser. "Vi var i stand til at udskære en ønskværdig niche, som ingen gik efter," siger Kugelmass. "Vi black boxed hele operationen."
Hvor tillokkende fusionsløftet end kan være, hvis Kugelmass har sin vilje, kan konkurrencemæssige realiteter af etableret, pålidelig fission alligevel henvise sin hippe nye fætter til skraldespanden af heroiske tech-flops - husk Betamax, Google Glass og New Coke?
Kilde: https://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2022/12/13/national-lab-unlocks-nuclear-fusion—true-breakthrough-novelty-act-or-both/