Hvornår vil nuklear fusion sætte olie og gas ud af drift.

Denne juletid er en tid for tak og håb for påtvingende spring i videnskaben, der bliver taget:

First, Prins William, der grundlagde Earthshots-prisen, annoncerede priser i Boston i 2022. En kategori blev kaldt Genopliv vores oceaner. Vinderen var en gruppe kaldet Indfødte kvinder fra Great Barrier Reef. Revet har været under angreb, og vinderne er forpligtet til dets forsvar. De arbejder for at beskytte strande og skildpadder og bevare havgræs, der optager ti gange mere CO2 end Amazonas skove. De kæmper for gammel aboriginal viden og bruger moderne værktøjer som droner til at overvåge revets ændringer i koraller såvel som indenlandske bushbrande.

For det andet har det amerikanske energiministerium i 20 år finansieret konceptet og udviklingen af ​​en Small Modular Nuclear Reactor (SMR) kaldet NuScale Power Module. Fordelene er sikrere, billigere, skalerbar og kulfri. Det er den eneste SMR, der modtager designgodkendelse fra Nuclear Regulatory Commission (NRC). Modulet er mindre end 100 fod højt og er en 15 fod bred cylinder, der sidder i et vandbad under jordoverfladen. Den kan producere 77 megawatt elektricitet, der kan drive 60,000 hjem. Målet er at være oppe at køre i Idaho i 2029.

For det tredje har den medicinske institution en gennembrud i behandlingen af ​​visse kræftformer. Metoden tager T-celler, som er en del af immunsystemet, der bekæmper kræft, ud af kroppen for at genmodificere dem ved hjælp af CRISPR-teknikken og derefter reinjicere dem tilbage i kroppen som et "levende stof". Ved hjælp af CRISPR kan T-cellerne finjusteres og gøres mere dødelige i deres angreb på bestemte kræftceller.

Disse "hyldevare" T-celler kan fremstilles i store mængder hurtigt ved hjælp af CRISPR, i stedet for at skulle vente uger eller måneder tidligere. Den 12. december 2022 annoncerede Dr. McGuirk fra University of Kansas forsøgsresultater, der var overraskende gode og åbnede en ny dør til behandling af kræftformer: tumorer var skrumpet for 67 % af 32 patienter med lymfomkræft. 40 % af patienterne opnåede fuldstændig remission. Der er stor entusiasme for potentialet i denne teknik til at helbrede mange andre kræftformer.

For det fjerde er et gennembrud inden for nuklear fusion, der er ganske forbløffende.

Nuklear fusion gennembrud.

I det sidste århundrede, fysikkens største århundrede, var en af ​​opdagelserne nuklear fission. Når et tungt atom som plutonium går i stykker, går en lille mængde masse tabt og dukker op igen som en enorm mængde energi - fordi E = mc^2, hvor c er lysets hastighed og et meget stort tal.

Under en trussel om, at Tyskland ville udvikle en kædereaktionsbombe baseret på denne reaktion, hældte den amerikanske regering en enorm mængde midler i at bygge en fissionsbombe i Los Alamos, New Mexico, ikke langt fra hvor jeg bor. Det blev testet i White Sands-ørkenen syd for Albuquerque og blev til sidst brugt til at afslutte krigen med Japan.

Kommerciel anvendelse førte hurtigt til atomreaktorer i netstørrelse i forskellige lande. Nogle havde succes – Frankrig får 70 % af sin elektriske energi fra 56 atomreaktorer, mens USA får omkring 20 % af sin energi fra 93 atomreaktorer.

Men succes er urolig, når frygtelige ulykker sker, såsom Tjernobyl, Rusland, i 1986 og Fukushima, Japan, i 2011, og den altid tilstedeværende bekymring om bortskaffelse af atomaffald i USA.

En søsterkernereaktion er, når to brintkerner tvinges til at smelte sammen til helium ved at overvinde de frastødende kræfter og igen frigives en enorm mængde energi. Dette var grundlaget for amerikanske brintbombetests i det sydlige Stillehav (Bikini Atoll) i 1950'erne før testforbudstraktaten i 1963.

Kommerciel anvendelse af nuklear fusion har været søgt gennem årtier siden da. For eksempel er en bestræbelse baseret i Sandia National Laboratories i Albuquerque, hvor varmt ladet plasma er begrænset af elektriske felter. Ideen var at begrænse, komprimere og opvarme plasmaet (energi-ind), indtil brintkerner smelter sammen (energi-ud). Men energi-ind var altid større end energi-ud.

En anden kommerciel ansøgning var på Lawrence Livermore Laboratory i San Francisco Bay-området i Californien. Her Der blev brugt 192 lasere at begrænse, komprimere og opvarme plasmaet ved at sprænge en 1 million dollars pellet af blandede brintisotoper. Resultaterne var altid de samme – indtil nu. Meddelt i ugen, der sluttede den 16. december 2022, var energi-ud (3.1 megajoule) mere end energi-ind (2.1 megajoule) for første gang. Det er et ægte gennembrud. Den opnåede temperatur var 3 millioner grader C.

Sætter dette i perspektiv.

For det første er energi-ind versus energi-out for simpelt, fordi at tænde for laserne kræver langt større energi: 400 MegaJoule. Se ref 1.

For det andet handlede succeshistorien om kun én begivenhed – én fusionstænding. At være i nærheden af ​​praktisk ville kræve mange, mange fusionsbegivenheder i minuttet og ville kræve en laser, der er tusindvis af gange kraftigere. Plus omkostningerne skulle være en million gange billigere (Ref 1). Kort sagt er denne ene succes, selvom den er inspirerende, ikke i nærheden af ​​at forestille sig praktisk anvendelse.

Så det er ikke billigt, og det er ikke praktisk, men det ville producere højintensiv energi, og det ville være kulstoffrit.

Nuklear fissionsenergi er en million gange stærkere end nogen anden energikilde på jorden. Og det er en stor grund til, at der er blevet investeret i lande som Frankrig og USA for at bygge snesevis af atomkraftværker.

Nuklear fusion skaber 3-4 gange mere energi end nuklear fission. Det er en del af drømmen. En anden del af fusionsdrømmen er, at der ikke er nogen nukleare affaldsprodukter at bortskaffe - affaldsprodukter, der kan tage hundreder eller tusinder af år at henfalde. En tredje del er fusion er ikke en kædereaktion, så faren for løbske nukleare reaktioner og eksplosioner er ikke-eksisterende.

Da produktion af elektricitet er ansvarlig for omkring en tredjedel af de globale drivhusgasemissioner, er den sidste del af drømmen nukleare fusionsanlæg drysset over et land for at levere kulstoffri elektrisk energi med høj intensitet.

Men husk, det er kun en drøm. På trods af sine fordele vil kulstoffri atomfusion ikke sætte olie- og gasindustrien ud af drift i 2050 og måske ikke engang i 2100.

Takeaways.

Menneskeheden har kopieret solens kilde til lys og varme. Ved omkring 15 millioner grader C komprimeres det gasformige indre af solen under et enormt tryk – en teske vejer 750 g eller 1.65 lb. For at kopiere solens indre forhold i laboratoriet og for at opnå breakeven (energi-ud mere end energi-ind) ) er en imponerende bedrift.

Men nuklear fusion er ikke i nærheden af ​​at forestille sig kommerciel anvendelse.

Så hvorfor bruger vi store penge på at undersøge det? For det er, hvad avancerede lande gør. De bygger teleskoper som James Webb og installerer dem på satellitter for at studere universet. De bygger raketter for at sætte mænd og kvinder på månen. De bygger magnetiske racerbaner for at accelerere protoner til lysets hastighed, før de styrter ned og afslører i fragmenterne undvigende subatomære partikler som Higgs-bosonen.

Politik spiller en stor rolle i at bestemme, hvor statsstøtte og midler til videnskab fordeles. Heldigvis, som rapporteret ovenfor, findes der mange eksempler på lande, der bruger videnskab til at løse presserende problemer, som gavner menneskeheden direkte.

Reference 1: Jerusalem Demsas, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16. december 2022.