Når vil kjernefysisk fusjon sette olje og gass ut av drift.

Denne juletiden er en tid for takk og håp for imponerende sprang i vitenskapen som blir gjort:

Først Prins William, som grunnla Earthshots-prisen, annonserte priser i Boston i 2022. En kategori ble kalt Gjenoppliv våre hav. Vinneren ble en gruppe kalt Urfolkskvinner fra Great Barrier Reef. Revet har vært under angrep, og vinnerne er forpliktet til forsvaret. De jobber for å beskytte strender og skilpadder og bevare sjøgress som fanger opp ti ganger mer CO2 enn Amazonas-skogene. De kjemper mot eldgammel aboriginalkunnskap og bruker moderne verktøy som droner for å overvåke revets endringer i koraller så vel som innlandsbuskbranner.

For det andre har det amerikanske energidepartementet i 20 år finansiert konseptet og utviklingen av en liten modulær atomreaktor (SMR) kalt NuScale Power Module. Tryggere, billigere, skalerbar og karbonfri er fordelene. Det er den eneste SMR som mottar designgodkjenning fra Nuclear Regulatory Commission (NRC). Modulen er mindre enn 100 fot høy og er en 15 fot bred sylinder som sitter i et vannbad under bakkenivå. Den kan produsere 77 megawatt strøm som kan drive 60,000 2029 hjem. Målet er å være i gang i Idaho innen XNUMX.

For det tredje har det medisinske etablissementet en gjennombrudd i behandlingen av visse kreftformer. Metoden tar T-celler, som er en del av immunsystemet som bekjemper kreft, ut av kroppen for å genmodifisere dem, ved hjelp av CRISPR-teknikken, og deretter reinjisere dem tilbake i kroppen som et "levende stoff". Ved å bruke CRISPR kan T-cellene finjusteres og gjøres mer dødelige i angrepet på bestemte kreftceller.

Disse "hyllevare" T-cellene kan produseres i store mengder raskt ved hjelp av CRISPR, i stedet for å måtte vente uker eller måneder tidligere. 12. desember 2022 kunngjorde Dr McGuirk fra University of Kansas prøveresultater som var overraskende gode og åpnet en ny dør til behandling av kreft: svulster hadde krympet for 67 % av 32 pasienter med lymfomkreft. 40 % av pasientene oppnådde fullstendig remisjon. Det er stor entusiasme for potensialet til denne teknikken for å kurere mange andre kreftformer.

For det fjerde er et gjennombrudd innen kjernefysisk fusjon som er ganske imponerende.

Kjernefysisk fusjonsgjennombrudd.

I forrige århundre, fysikkens største århundre, var en av oppdagelsene kjernefysisk fisjon. Når et tungt atom som plutonium brytes fra hverandre, går en liten mengde masse tapt og dukker opp igjen som en enorm mengde energi - fordi E = mc^2, der c er lysets hastighet og et veldig stort tall.

Under en trussel om at Tyskland ville utvikle en kjedereaksjonsbombe basert på denne reaksjonen, skjøt den amerikanske regjeringen en enorm mengde midler til å bygge en fisjonsbombe i Los Alamos, New Mexico, ikke langt fra der jeg bor. Den ble testet i White Sands-ørkenen sør for Albuquerque, og ble til slutt brukt til å avslutte krigen med Japan.

Kommersiell anvendelse førte raskt til atomreaktorer på nettstørrelse i forskjellige land. Noen var vellykkede – Frankrike får 70 % av sin elektriske energi fra 56 atomreaktorer mens USA får omtrent 20 % av energien fra 93 atomreaktorer.

Men suksess er urolig når forferdelige ulykker skjer, slik som Tsjernobyl, Russland, i 1986 og Fukushima, Japan, i 2011, og den alltid tilstedeværende bekymringen for deponering av kjernefysisk avfall i USA.

En søsterkjernereaksjon er når to hydrogenkjerner blir tvunget til å smelte sammen til helium ved å overvinne frastøtende krefter og nok en gang frigjøres en enorm mengde energi. Dette var grunnlaget for amerikanske hydrogenbombetester i Sør-Stillehavet (Bikini-atollen) på 1950-tallet før testforbudstraktaten fra 1963.

Kommersiell anvendelse av kjernefysisk fusjon har vært søkt i løpet av tiårene siden den gang. For eksempel er en bestrebelse basert i Sandia National Laboratories i Albuquerque, hvor varmt ladet plasma er begrenset av elektriske felt. Tanken var å begrense, komprimere og varme plasmaet (energi-inn) til hydrogenkjerner smelter sammen (energi-ut). Men energi-inn var alltid større enn energi-ut.

En annen kommersiell søknad var ved Lawrence Livermore Laboratory i San Francisco Bay-området i California. Her 192 lasere ble brukt å begrense, komprimere og varme opp plasmaet ved å sprenge en pellet på 1 million dollar av blandede hydrogenisotoper. Resultatene var alltid de samme – til nå. Kunngjort i uken som slutter 16. desember 2022, var energiutgangen (3.1 megajoule) mer enn energiinngangen (2.1 megajoules) for første gang. Det er et genuint gjennombrudd. Temperaturen som ble oppnådd var 3 millioner grader C.

Setter dette i perspektiv.

For det første er energi-inn versus energi-ut for enkelt, fordi det krever mye større energi for å slå på laserne: 400 megajoule. Se ref 1.

For det andre handlet suksesshistorien om bare én hendelse – én fusjonstenning. Å være i nærheten av praktisk ville kreve mange, mange fusjonshendelser per minutt, og ville trenge en laser som er tusenvis av ganger kraftigere. Pluss at kostnaden måtte være en million ganger billigere (Ref 1). Med et ord, denne suksessen, selv om den er inspirerende, er ikke i nærheten av å forestille seg praktisk anvendelse.

Så det er ikke billig og det er ikke praktisk, men det ville produsere høyintensitetsenergi og det ville være karbonfritt.

Kjernefysisk fisjonsenergi er en million ganger kraftigere enn noen annen energikilde på jorden. Og dette er en stor grunn til at det er gjort investeringer i land som Frankrike og USA for å bygge dusinvis av atomkraftverk.

Kjernefusjon skaper 3-4 ganger mer energi enn kjernefysisk fisjon. Det er en del av drømmen. En annen del av fusjonsdrømmen er at det ikke er noen kjernefysiske avfallsprodukter å kaste - avfallsprodukter som kan ta hundrevis eller tusenvis av år å forfalle. En tredje del er at fusjon ikke er en kjedereaksjon, så faren for løpske kjernefysiske reaksjoner og eksplosjoner er ikke-eksisterende.

Siden generering av elektrisitet er ansvarlig for omtrent en tredjedel av globale klimagassutslipp, er den siste delen av drømmen kjernefysiske fusjonsanlegg sprinklet over et land for å gi høyintensitets karbonfri elektrisk energi.

Men husk, det er bare en drøm. Til tross for fordelene, vil ikke karbonfri kjernefysisk fusjon sette olje- og gassindustrien ut av drift innen 2050 og kanskje ikke engang innen 2100.

Takeaways.

Menneskeheten har kopiert solens kilde til lys og varme. Ved ca. 15 millioner grader C komprimeres det gassformige indre av solen under et enormt trykk – en teskje veier 750 g. For å gjenskape solens indre forhold i laboratoriet og for å oppnå break-even (energi-ut mer enn energi-inn) ) er en imponerende bragd.

Men kjernefysisk fusjon er ikke i nærheten av å forestille seg kommersiell anvendelse.

Så hvorfor bruker vi store penger på å undersøke det? For det er det avanserte land gjør. De bygger teleskoper som James Webb og installerer dem på satellitter for å studere universet. De bygger raketter for å sette menn og kvinner på månen. De bygger magnetiske veddeløpsbaner for å akselerere protoner til lysets hastighet før de krasjer og avslører i fragmentene unnvikende subatomære partikler som Higgs-bosonet.

Politikk spiller en stor rolle i å bestemme hvor statlig støtte og midler til vitenskap skal fordeles. Heldigvis, som rapportert ovenfor, finnes det mange eksempler på land som bruker vitenskap for å løse presserende problemer som kommer menneskeheten direkte til gode.

Referanse 1: Jerusalem Demsas, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16. desember 2022.