En anekdote er kendt: nuklear fusion vil være om tyve år. Vil altid være om tyve år. Denne vittighed, nu ikke længere morsom, voksede ud af optimismen for forskere, der i 1950'erne (og i hvert efterfølgende årti) troede, at kernefusion kun var 20 år væk. Nu er denne anekdote taget alvorligt af en opstart - en indfødt fra MIT (Massachusetts Institute of Technology), en højt respekteret og berømt institution: Commonwealth Fusion Technologies. Opstart løfter om at lancere en fungerende atomfusionsreaktor om 15 år. Lover billig, ren og ubegrænset energi, der vil løse alle fossile brændstoffer og klimaforandringer. Så de siger: "en potentielt uudtømmelig og kulstoffri energikilde."
Det eneste problem: vi har hørt dette mange gange før. Hvad er anderledes denne gang?
En anden berømt kliché vedrører fusionens energi. Ideen er enkel: du lægger solen i en flaske. Det eneste, der er tilbage, er at bygge en flaske. Fusionsenergien kræver stjernerne, men den kræver utroligt varme og tætte forhold for plasmaet til at fungere.
En enorm mængde energi kan frigives, når to lette kerner smelter sammen: deuterium-tritium-fusionen, der udføres som en del af ITER-eksperimentet, udsender 17,6 MeV pr. Reaktion, en million gange mere energi pr. Molekyle end du får fra eksplosionen af TNT. Men for at frigive denne energi er du nødt til at overvinde den kraftige elektrostatiske frastødning mellem kernerne, som begge er positivt ladet. Den stærke interaktion på korte afstande fører til en fusion, der frigiver al denne energi, men kernerne skal bringes meget tæt på femtometre. I stjerner sker dette af sig selv på grund af det kolossale tyngdekrafttryk på materialet, men på Jorden er dette vanskeligere.
Først skal du prøve at finde materialer, der vil overleve efter udsættelse for temperaturer på hundreder af millioner af grader celsius.
Plasma består af ladede partikler; stof og elektroner vaskes væk. Det kan holdes på plads af et magnetfelt, der folder plasmaet i en cirkel. Manipulationer med magnetfeltet gør det også muligt at komprimere dette plasma. I 1950'erne og 1960'erne dukkede en hel generation af enheder med eksotiske navne op: Stellarator, miskienatron, Z-Pinch, designet til dette. Men plasmaet, de forsøgte at holde, var ustabilt. Plasma i sig selv genererer elektromagnetiske felter, det kan beskrives ved en meget kompleks teori om magnetohydrodynamik. Lette afvigelser eller defekter på plasmaoverfladen kom hurtigt ud af kontrol. Kort sagt, enhederne fungerede ikke som tilsigtet.
Sovjetunionen udviklede en tokamak-enhed, der bød meget forbedret ydeevne. På samme tid blev en laser opfundet, hvilket muliggjorde en ny type syntese - syntese med inertial indeslutning.
I dette tilfælde er det ikke længere nødvendigt at holde plasmaforbrændingen i magnetiske felter, det er nødvendigt at komprimere det ved en eksplosion ved hjælp af lasere på kort tid. Men eksperimenter med inertial indeslutning led også af ustabiliteter. De har kørt siden 1970'erne og kan en dag komme deres vej, men den største hidtil, National Ignition Laboratory i Livermore, Californien, har aldrig nået et break-even-punkt, hvor der vil blive produceret mere energi end brugt.
Salgsfremmende video:
Meget af håbet er i ITER, verdens største magnetiske indeslutningstokamak, som stadig er under opførelse.
Projektudviklerne håber at antænde plasmaet inden for 20 minutter for at generere 500 MW strøm med et nominelt input på 50 MW. Der planlægges fuld fusionseksperimenter i 2035, men problemer med internationalt samarbejde mellem USA, USSR (dengang stadig), Japan og Europa førte til lange forsinkelser og budgetstrækning. Projektet er 12 år for sent og koster 13 milliarder dollars. Dette er ikke ualmindeligt for projekter, der kræver, at der skal bygges enorme installationer.
I henhold til ITER-planen skulle den første termonukleare fusionsreaktor, der vil fungere som et kraftværk, antænde og understøtte fusion, DEMO, komme i drift i 2040 eller endda i 2050. Med andre ord, kernefusion … vil være om tyve år. Der er en tendens til at løse problemer med ustabilitet ved at bygge flere og flere faciliteter. ITER vil være større end JET, og DEMO vil være større end ITER.
I årenes løb har mange hold udfordret internationalt samarbejde med mindre design. Spørgsmålet er ikke hastighed, men praktisk. Hvis det virkelig tager milliarder af dollars og snesevis af år at bygge en fusionsreaktor, er det overhovedet værd? Hvem betaler for byggeriet? Måske når en fungerende tokamak bygges, vil kombinationen af solcellepaneler og nye batterier give os energi, der vil være billigere end den, der laves på tokamak. Nogle projekter - endda den berygtede "kold fusion" - viste sig at være falske eller ikke fungerer.
Andre fortjener mere opmærksomhed. Opstart med nye fusionsreaktorkonstruktioner - eller i nogle tilfælde reviderede versioner af ældre forsøg.
Tri Alpha forventer at kollidere plasmaskyer i en struktur, der minder om den store Hadron Collider, og derefter holde det syntetiserende plasma i et magnetfelt længe nok til at gå i stykker og generere strøm. Det lykkedes dem at opnå de krævede temperaturer og plasmaindeslutning i et par millisekunder og indsamlede også mere end $ 500 millioner i venturekapital.
Lockheed Martin Skunk Works, kendt for deres hemmelige projekter, lavede en stænk i 2013 ved at meddele, at de arbejdede på en kompakt, 100 MW fusionsreaktor på størrelse med en jetmotor. På det tidspunkt erklærede de, at prototypen ville være klar om fem år. Naturligvis afslørede de ikke designdetaljer. I 2016 blev det bekræftet, at projektet modtager finansiering, men mange har allerede mistet troen og opnået skepsis.
Og på baggrund af al denne skam, brast MIT-forskere ind i ringen. Bob Mumgaard, administrerende direktør for Commonwealth Fusion Energy, sagde:”Vi er forpligtet til at få en arbejdsstation i tide til at bekæmpe klimaforandringer. Vi tror, at videnskaben, hastigheden og skaleringen af projektet vil tage femten år."
MITs nye projekt overholder designen af tokamak, som det har gjort tidligere. SPARC-enheden formodes at producere 100 MW energi i 10 sekunders indeslutningsimpulser. Det har allerede været muligt at hente energi fra impulser før, men break-even-punktet er, hvad der virkelig tiltrækker forskere.
En særlig sauce i dette tilfælde er de nye højtemperatur-superledende magneter lavet af yttrium-barium-kobberoxid. I betragtning af at HTSM kan skabe mere kraftfulde magnetiske felter ved den samme temperatur som konventionelle magneter, kan det være muligt at komprimere plasma med en lavere indgangseffekt, en lavere magnetisk enhed og opnå syntesebetingelser i en enhed, der er 65 gange mindre end ITER. Det er planen alligevel. De håber at skabe superledende magneter i de næste tre år.
Forskere er optimistiske:”Vores strategi er at bruge konservativ fysik baseret på årtiers arbejde hos MIT og andre steder,” sagde Martin Greenwald, associeret direktør for Center for Plasma Science and Fusion hos MIT. "Hvis SPARC opnår den forventede ydelse, dikterer min instinkt, at det kan skaleres op til et rigtigt kraftværk."
Der er mange andre projekter og startups, der på samme måde lover at omgå alle slags tokamaks og internationale samarbejdsbudgetter. Det er vanskeligt at sige, om nogen af dem vil finde den hemmelige ingrediens til syntesen, eller om ITER, med dens vægt i det videnskabelige samfund og landenes støtte, vil vinde. Det er stadig svært at sige, hvornår og om fusion bliver den bedste energikilde. Syntese er vanskelig. Sådan viser historien.
Ilya Khel
