National Lab låser opp kjernefysisk fusjon – ekte gjennombrudd, nyhetslov eller begge deler?

Nuclear fusjon har lenge vært den hellige gral for virkelig ren energi. Sammenslåingen av hydrogenatomer lover grenseløs elektrisitet med null karbonutslipp, et minimum av radioaktivt avfall og null sjanse for katastrofal nedsmelting. Men i et halvt århundre har fusjonsforskere vært begrenset av kraften til laserne og styrken til magnetfeltene deres – aldri før de har funnet ut hvordan de kan melke mer energi ut av atomknusingen enn de har lagt inn. Til nå.

I dag forskere ved Nasjonalt tenningsanlegg på Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i California vil avsløre at de i begynnelsen av desember, for første gang, har klart å oppnå en energiøkning på mer enn 1 - det vil si at det ble sendt ut mer energi fra reaksjonene inne i deres deuterium-tritium drivstoffkapsel (2,000 megajoule) enn det som lå i 192 lasere som de sprengte den med.

Det er en stor sak, verdt å feire, men noe av en gitt konklusjon, sier Debra Callahan, en plasmafysiker som nylig forlot LLNL-fusjonsteamet for å bli vitenskapelig direktør ved oppstart Fokusert energi, som allerede jobber med å kommersialisere tilnærmingen.

Callahan visste at LLNL ville oppnå netto energigevinst etter at de i fjor nådde en energiproduksjon på 72 % av deres laserenergiinngang. «Det er ikke en overraskelse for meg. Gitt resultatene vi hadde sett, det kom til å skje, sier hun. De trengte bare litt mer laserkraft. Så hvordan fungerer det? Se for deg en liten hul sylinder laget av gull som passer i håndflaten din. Det kalles hohlraum. Inne i hohlraumet går det en liten brenselkapsel inni der er deuterium- og tritiumatomer.

De bruker gull fordi det holder inne røntgenstrålene som produseres når de sprenger hver ende av hohlraumet med 173 av verdens kraftigste lasere. Callahan sier: "Det er som en røntgenovn," som komprimerer drivstoffet så mye at det imploderer og antenner fusjon mellom atomer i midten av kapselen. Fusjonen forplanter seg deretter ut i en bølge fra sentrum, og avgir enorm varme. Alt dette skjer på en milliarddels sekund.

Hvorfor forlot Callahan LLNL da de var på vei til suksess? Fordi, sier hun, National Ignition Facility er ikke en fusjonsmaskin. Hohlraumet er flott for å demonstrere tenning, men det er ikke nødvendigvis effektivt nok for å konstruere kontinuerlig pulsert fusjon fordi så mye gjenværende laserenergi går tapt ved å varme opp gullet i stedet for hydrogendrivstoffet. Så hos Focused Energy (støttet av Prime Movers Lab og Nye Enterprise Associates) planen deres er å forkaste hohlraum og i stedet bruke en "direkte kjøring"-tilnærming - sprengning av lasere direkte på en drivstoffkapsel (se skjema).

De har ennå ikke demonstrert at det fungerer, men Callahan er sikker på at pilotprosjektet deres om et par år vil oppnå en 10x energigevinst. Det vil bli etterfulgt av et andre anlegg som når 30x gevinst, etterfulgt av det som på slutten av 2030-tallet ville være deres første kommersielle generator, som forhåpentligvis oppnår en 100x energigevinst og sprenger 10 drivstoffkapsler hvert sekund.

Men der lå en spesiell utfordring. Med 10 per sekund ville maskinen deres bruke nesten 900,000 XNUMX kapsler per dag. Dette er ikke som å måke kull inn i en ovn; hver kapsel må produseres etter strenge standarder og skytes inn i maskinen med perfekt timing.

***

Er det realistisk? Noen fusjonskonkurrenter tror ikke det. General Fusion er et Vancouver, Canada-basert fusjonsselskap som i går kunngjorde sin egen milepæl. Tilnærmingen kalles magnetisert målfusjon og involverer en maskin der de injiserer en kule med hydrogenplasma i maskinen og bruker kraftige magneter for å holde den mens de komprimerer med mekaniske stempler i stedet for lasere. Administrerende direktør Greg Twinney forventer at pilotanlegget General Fusion bygger i Storbritannia for å demonstrere fusjon i 2027, med kommersiell design klar tidlig på 2030-tallet. "Når vi ser slike nyheter, blir vi ikke overrasket," sier han. Men LLNLs tilnærming kan ikke ekstrapoleres til et fungerende fusjonsanlegg, som er hva General Fusion (støttet av 300 millioner dollar fra Jeff Bezos, Shopify)KJØP
Administrerende direktør Tobias Lutke, og Temasek, blant andre) satte seg fore fra begynnelsen. "Alt vi gjør er fokusert på et kommersielt kraftverk," sier han. "Hvis det fungerer i et vitenskapelig eksperiment, men ikke er kommersielt, er vi ikke interessert i det."

LLNL-nyhetene genererte et lignende svar fra administrerende direktør David Kirtley i Seattle-basert fusjonsoppstart Helion, støttet av 600 millioner dollar fra teknologimagnatene Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman og Jeff Skoll. "Vi er glade for at de nådde sine vitenskapelige milepæler for maskinen deres," sier Kirtley. Men han føler seg ikke truet av «en forskningsenhet som ikke er laget for å lage elektrisitet». Derimot innebærer driften av Helions 60 fot lange fusjonsmaskin å injisere plasmakuler i hver ende, og knuse dem sammen i en 100 millioner graders reaksjon kontrollert av intense magnetiske felt. I Helions nye system skyver energien som frigjøres i fusjonsreaksjonene kontinuerlig ut mot dets magnetiske inneslutningsfelt, som skyver tilbake - og forårsaker oscillasjoner "som et stempel," sier Kirtley, som genererer en elektrisk strøm, som Helion fanger direkte fra reaktoren. (For mer, les videre Faradays lov om induksjon.)

Helion bygger sin syvende prototype og designer sin åttende, som Kirtley håper vil være den første kommersielle fusjonsgeneratoren - muligens koblet til strømnettet innen slutten av dette tiåret, hvis alt går riktig. Han sier at føderale atomregulatorer ser ut til å utsette maskinen deres for de samme reglene som partikkelakseleratorer og den typen bildebehandlingsmaskiner som brukes på sykehus.

Og det er mange andre selskaper som følger den mest etablerte tilnærmingen til fusjon - tokamak konsept, der baller med plasma injiseres inn i et reaktorkammer formet som en hul smultring, kontrollert av kraftige magnetiske felt. Commonwealth Fusion, en spinoff fra MIT, søker å perfeksjonere tokamak ved å bruke superledende materialer med ultrahøy temperatur som administrerende direktør Bob Mumgaard tror vil gjøre dem i stand til å ha en fungerende fusjonsenhet innen slutten av tiåret. Det samme gjelder San Diego-baserte General Atomics (mest kjent for å finne opp Predator-dronen), som har drevet en tokamak for Department of Energy i flere tiår og designer en ny maskin. GA bygde også uten tvil verdens kraftigste magnet, kalt den sentrale solenoiden, for verdens største fusjonsprosjekt av alle, 30 milliarder dollar ITER under bygging i Frankrike. Hvis de andre fusjons-oppstartene har sin vilje, vil ITER være foreldet før den i det hele tatt er fullført en gang neste tiår. GA (eid av milliardæren Neal Blue) sprer sine innsatser og har et partnerskap med Savannah River National Lab for å produsere drivstoffpellets for laserbaserte fusjonsmaskiner som LLNR og Focused Energy.

Uansett hvem du snakker med i fusjonsfeltet, er kritikken deres av lenge etablerte kjernefysiske fisjonsreaktorer den samme. Fisjonsreaksjoner (der store atomer av anriket uran brytes fra hverandre) gir radioaktivt avfall, inkludert plutonium og farlige aktinider som kan bevæpnes. I motsetning til fusjon, som er vanskelig å starte og lett å stoppe, er fisjonsreaksjoner enkle å starte og vanskelige å stoppe, noe som introduserer risikoen for katastrofale nedsmeltninger. Nyere design, som Westinghouse AP1000 fisjonsreaktor, under bygging i både USA og Kina, har passive sikkerhetstiltak og er praktisk talt nedsmeltingssikker.

***

Noen atom-entreprenører mener fisjon er tilstrekkelig. Bret Kugelmass, grunnlegger og administrerende direktør i Siste energi, satte i gang for fem år siden for å utvikle verdens mest effektive og økonomiske atomreaktor. Før han bestemte seg for sin tilnærming, intervjuet Kugelmass, nå 36, hundrevis av kjernefysiske industrieksperter (og la samtalene om hans Titans of Nuclear podcast) for å samle industriens kollektive visdom. Selv om han har tro på fusjonens langsiktige fremtid, bestemte Kugelmass at verdens beste innsats for å gå bort fra fossilt brensel lå i å bygge modulære fisjonsreaktorer på den enkleste, billigste og sikreste måten som mulig. Ved fabrikken i nærheten av Houston produserer Last Energy nå sine første små, modulære trykkvannsreaktorer, som bruker hyllekomponenter, hentet via eksisterende kjernefysiske forsyningskjeder, med teknologi som har blitt perfeksjonert gjennom flere tiår og brukes i flere enn 300 reaktorer over hele verden.

Allerede har Last Energy solgt 10 av sine 20 megawatt-enheter til en kunde i Polen, to til for Romania og en håndfull for Storbritannia. Kugelmass sier at hans immaterielle eiendom ikke er i de velprøvde komponentene, men i hvordan man setter dem alle sammen. Han har så langt samlet inn 24 millioner dollar ledet av Gigafund, og forventer at de første reaktorene i Polen skal være i drift i 2025. For å finansiere maskinene inngår Last Energy langsiktige kraftkjøpsavtaler som lover kundene tiår med nullkarbon kjernekraft til under markedspriser. "Vi var i stand til å skjære ut en ønskelig nisje som ingen gikk etter," sier Kugelmass. "Vi svarte boks hele operasjonen."

Så forlokkende som fusjonsløftet kan være, hvis Kugelmass har sin vilje, kan konkurranserealitetene til etablert, pålitelig fisjon likevel henvise sin hippe nye fetter til søppelbøtta med heroiske tech-flopper – husk Betamax, Google Glass og New Coke?

MER FRA FORBESDrevet av milliardærdollar går kjernefysisk fusjon inn i en ny tidsalderBy Christopher HelmanMER FRA FORBESThe New Nuclear: How A $600 Million Fusion Energy Unicorn Plans To Beat SolarBy Christopher HelmanMER FRA FORBESDe stille milliardærene bak USAs rovdyrdrone som drepte Irans SoleimaniBy Deniz Çam