Nacionālā laboratorija atklāj kodolsintēzi — patiess izrāviens, novitātes akts vai abi?

Nkodolsintēze jau sen ir patiesi tīras enerģijas Svētais Grāls. Ūdeņraža atomu sajaukšana sola neierobežotu elektrību ar nulles oglekļa emisijām, minimālu radioaktīvo atkritumu daudzumu un nulles katastrofālas sabrukšanas iespēju. Taču jau pusgadsimtu kodolsintēzes zinātniekus ir ierobežojis viņu lāzeru jauda un magnētiskā lauka stiprums — nekad agrāk viņi nav izdomājuši, kā izslaukt vairāk enerģijas no atomu sagraušanas, nekā viņi ievadījuši. Līdz šim.

Šodien zinātnieki pie Valsts aizdedzes iekārta gada Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Kalifornijā atklās, ka decembra sākumā viņiem pirmo reizi ir izdevies sasniegt enerģijas pieaugumu, kas lielāks par 1, tas ir, vairāk enerģijas tika izdalīts no reakcijām viņu deitērija-tritija degvielas kapsulā (2,000 megadžouli). nekā bija ietverts 192 lāzeri ka viņi to uzspridzināja.

Tas ir liels darījums, to ir vērts svinēt, taču tas ir zināmā mērā iepriekš izdarīts secinājums, saka Debra Kalahana, plazmas fiziķe, kura nesen pameta LLNL kodolsintēzes komandu, lai kļūtu par zinātnisko direktori startēšanas procesā. Fokusēta enerģija, kas jau strādā, lai komercializētu šo pieeju.

Callahan zināja, ka LLNL sasniegs tīro enerģijas pieaugumu pēc tam, kad pagājušajā gadā viņi sasniegs 72% no lāzera enerģijas. "Man tas nav pārsteigums. Ņemot vērā rezultātu ceļš, ko bijām redzējuši, tam bija jānotiek,” viņa saka. Viņiem vienkārši vajadzēja nedaudz vairāk lāzera jaudas. Tātad, kā tas darbojas? Iedomājieties nelielu dobu cilindru no zelta, kas iederas jūsu plaukstā. To sauc par hohlraum. Hohlrauma iekšpusē atrodas niecīga degvielas kapsula, kuras iekšpusē ir deitērija un tritija atomi.

Viņi izmanto zeltu, jo tas aiztur rentgena starus, kas rodas, kad tiek spridzināts hohlrauma abos galos ar 173 pasaulē jaudīgākajiem lāzeriem. Callahan saka: "Tā ir kā rentgena krāsns", kas saspiež degvielu tik ļoti, ka tā eksplodē un aizdedzina atomu saplūšanu kapsulas centrā. Pēc tam saplūšana izplatās viļņā no centra, izdalot brīnišķīgu siltumu. Tas viss notiek sekundes miljarddaļās.

Kāpēc Kalahans pameta LLNL, kad viņi bija uz panākumu sliekšņa? Jo, viņa saka, National Ignition Facility nav kodolsintēzes mašīna. Hohlraum ir lieliski piemērots aizdedzes demonstrēšanai, taču tas ne vienmēr ir pietiekami efektīvs nepārtrauktas impulsu kodolsintēzes projektēšanai, jo tik daudz atlikušās lāzera enerģijas tiek zaudēts, sildot zeltu, nevis ūdeņraža degvielu. Tātad pie Focused Energy (atbalsta Prime Movers Lab un Jauni uzņēmumu asociētie uzņēmumi) viņu plāns ir izmest hohlraum un tā vietā izmantot "tiešās piedziņas" pieeju — lāzeru spridzināšanu tieši uz degvielas kapsulu (skatiet shēmu).

Viņi vēl nav pierādījuši, ka tas darbojas, bet Callahan ir pārliecināts, ka pēc pāris gadiem viņu izmēģinājuma projekts sasniegs 10x enerģijas pieaugumu. Tam sekos otrā rūpnīca, kas sasniegs 30 reižu pieaugumu, kam sekos tas, kas 2030. gadu beigās būs viņu pirmais komerciālais ģenerators, cerams, ka tas sasniegs 100 reizes lielāku enerģijas pieaugumu un katru sekundi izspridzinās 10 degvielas kapsulas.

Bet tajā bija īpašs izaicinājums. Ar ātrumu 10 sekundē, viņu mašīna izmantotu gandrīz 900,000 XNUMX kapsulu dienā. Tas nav kā ogļu šķūrēšana krāsnī; katra kapsula ir jāražo saskaņā ar stingriem standartiem un jāievada iekārtā ar perfektu laiku.

***

Vai tas ir reāli? Daži kodolsintēzes konkurenti tā nedomā. General Fusion ir Vankūverā, Kanādā bāzēta kodolsintēzes kompānija, kas vakar paziņoja par savu pavērsiena punktu. Tās pieeju sauc par magnetizētu mērķa saplūšanu, un tā ietver mašīnu, kurā iekārtā injicē ūdeņraža plazmas lodi un izmanto jaudīgus magnētus, lai to noturētu, vienlaikus saspiežot ar mehāniskiem virzuļiem, nevis lāzeriem. Izpilddirektors Gregs Tvinnijs sagaida, ka izmēģinājuma rūpnīca General Fusion, ko būvē Apvienotajā Karalistē, demonstrēs kodolsintēzi 2027. gadā, bet komerciālais dizains būs gatavs 2030. gadu sākumā. "Kad mēs redzam šādas ziņas, mēs neesam pārsteigti," viņš saka. Taču LLNL pieeju nevar ekstrapolēt par funkcionējošu kodolsintēzes iekārtu, ko nodrošina General Fusion (ko atbalsta 300 miljoni USD no Džefa Bezosa, ShopifyVEIKALS
CEO Tobias Lutke un Temasek, cita starpā), nolēma darīt jau no paša sākuma. "Viss, ko mēs darām, ir vērsts uz komerciālu spēkstaciju," viņš saka. "Ja tas darbojas zinātniskā eksperimentā, bet nav komerciāls, mūs tas neinteresē."

LLNL ziņas radīja līdzīgu atbildi no Sietlā bāzētā kodolsintēzes starta izpilddirektora Deivida Kērtlija Helions, ko atbalsta 600 miljoni dolāru no tehnoloģiju magnātiem Pītera Tīla, Sema Altmena, Dastina Moskovica, Reida Hofmana un Džefa Skola. "Mēs esam priecīgi, ka viņi sasniedz savus zinātnes pavērsienus savā mašīnā," saka Kērtlija. Taču viņš nejūtas apdraudēts no "pētniecības ierīces, kas nav paredzēta elektrības ražošanai". Turpretim Helion 60 pēdu garās kodolsintēzes iekārtas darbība ietver plazmas bumbiņu ievadīšanu katrā galā, sasitot tās kopā 100 miljonu grādu reakcijā, ko kontrolē intensīvi magnētiskie lauki. Heliona jaunajā sistēmā kodolsintēzes reakcijās atbrīvotā enerģija nepārtraukti izspiežas pret tā magnētisko ierobežošanas lauku, kas spiež atpakaļ, izraisot svārstības “kā virzulis,” saka Kērtlijs, kas rada elektrisko strāvu, kuru Helions uztver tieši no reaktora. (Lai uzzinātu vairāk, lasiet tālāk Faradeja indukcijas likums.)

Helion būvē savu 7. prototipu un projektē savu 8. prototipu, kas, Kērtlija cerībā, būs pirmais komerciālais kodolsintēzes ģenerators — iespējams, līdz šīs desmitgades beigām pieslēgts elektrotīklam, ja viss notiks pareizi. Viņš saka, ka federālie kodolenerģijas regulatori, šķiet, pakļauj savām mašīnām tādiem pašiem noteikumiem kā daļiņu paātrinātāji un slimnīcās izmantotās attēlveidošanas iekārtas.

Un ir daudz citu uzņēmumu, kas izmanto visizplatītāko pieeju kodolsintēzei - tokamaks koncepcija, kurā plazmas lodītes tiek ievadītas reaktora kamerā, kas veidota kā dobs virtulis, ko kontrolē spēcīgi magnētiskie lauki. Sadraudzības saplūšanaMIT spinoff, cenšas pilnveidot tokamaku, izmantojot īpaši augstas temperatūras supravadošus materiālus, kas, pēc izpilddirektora Boba Mumgārda domām, ļaus viņiem līdz desmitgades beigām izveidot funkcionējošu kodolsintēzes ierīci. Tas pats attiecas uz Sandjego bāzēto General Atomics (vislabāk pazīstamais par drona Predator izgudrošanu), kas gadu desmitiem izmanto Enerģētikas departamenta tokamaku un projektē jaunu mašīnu. GA arī uzbūvēja pasaulē jaudīgāko magnētu, ko sauc par centrālo solenoīdu, pasaules lielākajam kodolsintēzes projektam. 30 miljardu dolāru ITER tiek būvēts Francijā. Ja citiem kodolsintēzes jaunizveidotiem uzņēmumiem būs savs ceļš, ITER būs novecojis, pirms tas tiks pabeigts kaut kad nākamajā desmitgadē. Izplatot savas derības, GA (kas pieder miljardierim Nīlam Blūnam) sadarbojas ar Savannah River National Lab, lai ražotu degvielas granulas lāzera kodolsintēzes iekārtām, piemēram, LLNR un Focused Energy.

Neatkarīgi no tā, ar ko jūs runājat kodolsintēzes jomā, viņu kritika par sen izveidotajiem kodola skaldīšanas reaktoriem ir tāda pati. Sadalīšanās reakcijās (kurās tiek sadalīti lieli bagātinātā urāna atomi) rodas radioaktīvie atkritumi, tostarp plutonijs un bīstami aktinīdi, kurus var izmantot ar ieročiem. Atšķirībā no kodolsintēzes, ko ir grūti sākt un viegli apturēt, skaldīšanas reakcijas ir viegli uzsākt un grūti apturēt, radot katastrofālu sabrukšanas risku. Jaunāki dizaini, piemēram, Westinghouse AP1000 Skaldīšanas reaktoram, kas tiek būvēts gan ASV, gan Ķīnā, ir pasīvi drošības pasākumi, un tas ir praktiski izturīgs pret sabrukšanu.

***

Daži atomu uzņēmēji uzskata, ka ar skaldīšanu pietiek. Brets Kugelmass, uzņēmuma dibinātājs un izpilddirektors Pēdējā enerģija, kas pirms pieciem gadiem tika nolemts izstrādāt pasaulē efektīvāko un ekonomiskāko kodolreaktoru. Pirms pieņemt lēmumu par savu pieeju, Kugelmass, kuram tagad ir 36 gadi, intervēja simtiem kodolenerģijas nozares ekspertu (un pārrunāja viņa Kodolenerģijas titāni aplāde), lai smeltos nozares kolektīvo gudrību. Lai gan Kugelmass tic kodolsintēzes nākotnei ilgtermiņā, viņš noteica, ka pasaulē labākais risinājums pārejai no fosilā kurināmā ir moduļu skaldīšanas reaktoru būvēšana pēc iespējas vienkāršākajā, lētākajā un drošākajā veidā. Uzņēmums Last Energy savā rūpnīcā netālu no Hjūstonas tagad ražo savus pirmos mazos, modulāros spiediena ūdens reaktorus, kuros tiek izmantoti gatavie komponenti, kas iegūti, izmantojot esošās kodolenerģijas piegādes ķēdes, ar tehnoloģiju, kas ir pilnveidota gadu desmitiem un tiek izmantota vairākās jomās. vairāk nekā 300 reaktoru visā pasaulē.

Jau tagad Last Energy ir pārdevusi 10 no savām 20 megavatu iekārtām klientam Polijā, vēl divas Rumānijai un nedaudzas Lielbritānijai. Kugelmass saka, ka viņa intelektuālais īpašums nav pārbaudītajos komponentos, bet gan tajā, kā tos visus apvienot. Viņš līdz šim ir savācis 24 miljonus dolāru, kuru vadīja Gigafunds, un sagaidāms, ka pirmie reaktori Polijā darbosies 2025. gadā. Lai finansētu iekārtas, uzņēmums Last Energy noslēdz ilgtermiņa elektroenerģijas pirkšanas līgumus, solot klientiem gadu desmitiem ilgt nulles oglekļa atomelektrostaciju par zemākām tirgus cenām. "Mēs varējām izveidot vēlamo nišu, kurai neviens netiecās," saka Kugelmass. "Mēs veicām visu operāciju melnā kastē."

Lai cik pievilcīgs būtu kodolsintēzes solījums, ja Kugelmass pamanīs, ka pastāvošās, uzticamās skaldīšanas konkurētspējīgā realitāte tomēr varētu izstumt savu jauno brālēnu varonīgo tehnoloģiju kritienu atkritumu tvertnē — atcerieties Betamax, Google Glass un New Coke?

VAIRĀK NO FORBIEMMiljardieru dolāru vadīta kodolsintēze ieiet jaunā laikmetāBy Kristofers HelmansVAIRĀK NO FORBIEMJaunā kodolenerģija: kā 600 miljonu dolāru kodolsintēzes enerģijas vienradzis plāno pārspēt saules enerģijuBy Kristofers HelmansVAIRĀK NO FORBIEMKlusie miljardieri aiz Amerikas drona plēsoņa, kas nogalināja Irānas SoleimaniBy Denizs Čams