Το Εθνικό Εργαστήριο Ξεκλειδώνει την Πυρηνική Σύντηξη — Αληθινή Ανακάλυψη, Νόμος για Νεωτερισμούς ή Και τα δύο;

NΗ πυρηνική σύντηξη είναι από καιρό το Άγιο Δισκοπότηρο της πραγματικά καθαρής ενέργειας. Η συντριβή των ατόμων υδρογόνου υπόσχεται απεριόριστη ηλεκτρική ενέργεια με μηδενικές εκπομπές άνθρακα, ελάχιστο ραδιενεργό απόβλητο και μηδενική πιθανότητα καταστροφικής κατάρρευσης. Αλλά για μισό αιώνα, οι επιστήμονες της σύντηξης περιορίζονταν από τη δύναμη των λέιζερ τους και τη δύναμη των μαγνητικών τους πεδίων - ποτέ πριν δεν είχαν βρει πώς να αρμέξουν περισσότερη ενέργεια από τη σύντηξη του ατόμου τους από ό,τι έβαζαν. Μέχρι τώρα.

Σήμερα οι επιστήμονες στο Εθνική εγκατάσταση ανάφλεξης κατά τη Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) στην Καλιφόρνια θα αποκαλύψει ότι στις αρχές Δεκεμβρίου, για πρώτη φορά, κατάφεραν να επιτύχουν ενεργειακό κέρδος μεγαλύτερο από 1 — δηλαδή, περισσότερη ενέργεια εκπέμπεται από τις αντιδράσεις μέσα στην κάψουλα καυσίμου δευτερίου-τριτίου (2,000 megajoules) από ό,τι περιείχε το 192 λέιζερ που το έσκασαν.

Είναι μια μεγάλη υπόθεση, που αξίζει να γιορτάσουμε, αλλά κάπως προκαταρκτική, λέει η Debra Callahan, μια φυσική του πλάσματος που πρόσφατα έφυγε από την ομάδα σύντηξης LLNL για να γίνει επιστημονική διευθύντρια στην startup Εστιασμένη Ενέργεια, η οποία ήδη εργάζεται για την εμπορευματοποίηση της προσέγγισης.

Ο Callahan ήξερε ότι το LLNL θα πετύχαινε καθαρό ενεργειακό κέρδος αφού πέρυσι έφτασαν σε ενεργειακή απόδοση 72% των εισροών ενέργειας λέιζερ. «Δεν είναι έκπληξη για μένα. Δεδομένου του πορεία των αποτελεσμάτων που είχαμε δει, επρόκειτο να συμβεί», λέει. Απλώς χρειάζονταν λίγο περισσότερη ισχύ λέιζερ. Πως λειτουργεί, λοιπόν? Φανταστείτε έναν μικρό κούφιο κύλινδρο από χρυσό που χωράει στην παλάμη του χεριού σας. Αυτό λέγεται hohlraum. Μέσα στο hohlraum μπαίνει μια μικροσκοπική κάψουλα καυσίμου μέσα στην οποία υπάρχουν άτομα δευτερίου και τριτίου.

Χρησιμοποιούν χρυσό επειδή συγκρατείται στις ακτίνες Χ που παράγονται όταν εκτοξεύουν κάθε άκρο του hohlraum με 173 από τα πιο ισχυρά λέιζερ του κόσμου. Ο Κάλαχαν λέει, «Είναι σαν ένας φούρνος ακτίνων Χ», ο οποίος συμπιέζει το καύσιμο τόσο πολύ που εκρήγνυται και πυροδοτεί τη σύντηξη μεταξύ των ατόμων στο κέντρο της κάψουλας. Στη συνέχεια, η σύντηξη διαδίδεται σε ένα κύμα από το κέντρο, εκπέμποντας εκπληκτική θερμότητα. Όλα αυτά συμβαίνουν σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.

Γιατί ο Κάλαχαν άφησε το LLNL όταν ήταν στο κατώφλι της επιτυχίας; Γιατί, λέει, η Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης δεν είναι μηχανή σύντηξης. Το hohlraum είναι εξαιρετικό για την επίδειξη ανάφλεξης, αλλά δεν είναι απαραίτητα αρκετά αποδοτικό για τη μηχανική συνεχούς παλμικής σύντηξης επειδή χάνεται τόση υπολειπόμενη ενέργεια λέιζερ με τη θέρμανση του χρυσού και όχι του καυσίμου υδρογόνου. Έτσι στο Focused Energy (υποστηρίζεται από Εργαστήριο Prime Movers και Νέοι Συνεργάτες Επιχειρήσεων) το σχέδιό τους είναι να απορρίψουν το hohlraum και αντ 'αυτού να χρησιμοποιήσουν μια προσέγγιση «απευθείας μετάδοσης κίνησης» — ανατινάζοντας τα λέιζερ απευθείας σε μια κάψουλα καυσίμου (βλ. σχηματική).

Δεν έχουν ακόμη αποδείξει ότι λειτουργεί, αλλά η Callahan είναι βέβαιη ότι σε μερικά χρόνια το πιλοτικό τους έργο θα επιτύχει 10πλάσιο κέρδος ενέργειας. Θα ακολουθήσει ένα δεύτερο εργοστάσιο με κέρδος 30 φορές, ακολουθούμενο από αυτό που στα τέλη της δεκαετίας του 2030 θα ήταν η πρώτη τους εμπορική γεννήτρια, ελπίζοντας να επιτύχει 100x κέρδος ενέργειας και να ανατινάξει 10 κάψουλες καυσίμου κάθε δευτερόλεπτο.

Αλλά εκεί έγκειται μια ιδιαίτερη πρόκληση. Με 10 ανά δευτερόλεπτο, η μηχανή τους θα χρησιμοποιούσε σχεδόν 900,000 κάψουλες την ημέρα. Αυτό δεν είναι σαν να φτυαρίζεις κάρβουνο σε φούρνο. κάθε κάψουλα θα πρέπει να κατασκευαστεί σύμφωνα με αυστηρά πρότυπα και να μπει στο μηχάνημα με τέλειο συγχρονισμό.

***

Είναι αυτό ρεαλιστικό; Κάποιοι ανταγωνιστές fusion δεν το πιστεύουν. Η General Fusion είναι μια εταιρεία σύντηξης με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά που ανακοίνωσε χθες το δικό της ορόσημο. Η προσέγγισή του ονομάζεται μαγνητισμένη σύντηξη στόχου και περιλαμβάνει μια μηχανή όπου εγχέουν μια σφαίρα πλάσματος υδρογόνου στη μηχανή και χρησιμοποιούν ισχυρούς μαγνήτες για να τη συγκρατήσουν ενώ συμπιέζονται με μηχανικά έμβολα αντί με λέιζερ. Ο CEO Greg Twinney αναμένει ότι το πιλοτικό εργοστάσιο που κατασκευάζει η General Fusion στο Ηνωμένο Βασίλειο θα επιδείξει τη σύντηξη το 2027, με εμπορικό σχεδιασμό έτοιμο στις αρχές της δεκαετίας του 2030. «Όταν βλέπουμε τέτοιες ειδήσεις δεν εκπλήσσουμε», λέει. Ωστόσο, η προσέγγιση του LLNL δεν μπορεί να επεκταθεί σε ένα εργοστάσιο σύντηξης που λειτουργεί, όπως είναι και η General Fusion (υποστηρίζεται από 300 εκατομμύρια δολάρια από τον Jeff Bezos, ShopifySHOP
Ο Διευθύνων Σύμβουλος Tobias Lutke και ο Temasek, μεταξύ άλλων) ξεκίνησαν να κάνουν από την αρχή. «Ό,τι κάνουμε επικεντρώνεται σε μια εμπορική μονάδα παραγωγής ενέργειας», λέει. «Αν λειτουργεί σε ένα επιστημονικό πείραμα αλλά δεν είναι εμπορικό, δεν μας ενδιαφέρει αυτό».

Τα νέα του LLNL προκάλεσαν παρόμοια απάντηση από τον Διευθύνοντα Σύμβουλο David Kirtley της startup fusion με έδρα το Σιάτλ Ηλιον, με την υποστήριξη 600 εκατομμυρίων δολαρίων από τους μεγιστάνες της τεχνολογίας Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman και Jeff Skoll. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που πέτυχαν τα επιστημονικά ορόσημα για τη μηχανή τους», λέει ο Kirtley. Αλλά δεν αισθάνεται ότι απειλείται από «μια ερευνητική συσκευή που δεν έχει σχεδιαστεί για να παράγει ηλεκτρισμό». Αντίθετα, η λειτουργία της μηχανής σύντηξης μήκους 60 ποδιών της Helion περιλαμβάνει την έγχυση σφαιρών πλάσματος σε κάθε άκρο, συνθλίβοντάς τις μεταξύ τους σε μια αντίδραση 100 εκατομμυρίων μοιρών που ελέγχεται από έντονα μαγνητικά πεδία. Στο νέο σύστημα του Helion, η ενέργεια που απελευθερώνεται στις αντιδράσεις σύντηξης ωθεί συνεχώς προς το μαγνητικό πεδίο περιορισμού του, το οποίο σπρώχνει προς τα πίσω — προκαλώντας ταλαντώσεις «σαν έμβολο», λέει ο Kirtley, που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο ο Helion συλλαμβάνει απευθείας από τον αντιδραστήρα. (Για περισσότερα, διαβάστε παρακάτω Ο νόμος της επαγωγής του Faraday.)

Η Helion κατασκευάζει το 7ο πρωτότυπο της και σχεδιάζει το 8ο, το οποίο η Kirtley ελπίζει ότι θα είναι η πρώτη εμπορική γεννήτρια σύντηξης — πιθανώς συνδεδεμένη στο ηλεκτρικό δίκτυο μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας, αν όλα πάνε καλά. Λέει ότι οι ομοσπονδιακές ρυθμιστικές αρχές πυρηνικής ενέργειας φαίνονται έτοιμοι να υποβάλουν τη μηχανή τους στους ίδιους κανόνες με τους επιταχυντές σωματιδίων και το είδος των μηχανημάτων απεικόνισης που χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία.

Και υπάρχουν πολλές άλλες εταιρείες που επιδιώκουν την πιο καθιερωμένη προσέγγιση για τη σύντηξη — την tokamak έννοια, στην οποία μπάλες πλάσματος εγχέονται σε ένα θάλαμο αντιδραστήρα σε σχήμα κοίλου ντόνατ, που ελέγχεται από ισχυρά μαγνητικά πεδία. Commonwealth Fusion, ένα spinoff του MIT, επιδιώκει να τελειοποιήσει το tokamak χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα υλικά εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας που ο διευθύνων σύμβουλος Bob Mumgaard πιστεύει ότι θα τους επιτρέψουν να έχουν μια λειτουργική συσκευή σύντηξης μέχρι το τέλος της δεκαετίας. Το ίδιο ισχύει για την General Atomics με έδρα το Σαν Ντιέγκο (πιο γνωστή για την εφεύρεση του drone Predator), που λειτουργεί εδώ και δεκαετίες ένα tokamak για το Υπουργείο Ενέργειας και σχεδιάζει ένα νέο μηχάνημα. Η GA κατασκεύασε επίσης τον πιο ισχυρό μαγνήτη στον κόσμο, που ονομάζεται κεντρικό σωληνοειδές, για το μεγαλύτερο έργο σύντηξης στον κόσμο, το 30 δισεκατομμύρια δολάρια ITER υπό κατασκευή στη Γαλλία. Εάν οι άλλες νεοσύστατες εταιρείες σύντηξης έχουν τον τρόπο τους, το ITER θα είναι παρωχημένο πριν καν ολοκληρωθεί κάποια στιγμή την επόμενη δεκαετία. Διαδίδοντας τα στοιχήματά της, η GA (που ανήκει στον δισεκατομμυριούχο Neal Blue) έχει μια συνεργασία με το Savannah River National Lab για την κατασκευή πέλλετ καυσίμου για μηχανές σύντηξης που βασίζονται σε λέιζερ όπως το LLNR και η Focused Energy.

Με όποιον και να μιλήσετε στον τομέα της σύντηξης, η κριτική του για τους μακροχρόνιους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης είναι η ίδια. Οι αντιδράσεις σχάσης (στις οποίες μεγάλα άτομα εμπλουτισμένου ουρανίου διασπώνται) παράγουν ραδιενεργά απόβλητα, συμπεριλαμβανομένου του πλουτωνίου και των επικίνδυνων ακτινιδίων, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με όπλα. Σε αντίθεση με τη σύντηξη, η οποία είναι δύσκολο να ξεκινήσει και να σταματήσει εύκολα, οι αντιδράσεις σχάσης είναι εύκολο να ξεκινήσουν και δύσκολο να σταματήσουν, εισάγοντας τον κίνδυνο καταστροφικών κατάρρευσης. Νεότερα σχέδια, όπως το Westinghouse AP1000 Ο αντιδραστήρας σχάσης, υπό κατασκευή τόσο στις ΗΠΑ όσο και στην Κίνα, διαθέτει μέτρα παθητικής ασφάλειας και είναι ουσιαστικά ανθεκτικός στην κατάρρευση.

***

Ορισμένοι επιχειρηματίες ατομικής ενέργειας πιστεύουν ότι η σχάση είναι επαρκής. Bret Kugelmass, ιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της Τελευταία Ενέργεια, ξεκίνησε πριν από πέντε χρόνια για να επινοήσει τον πιο αποτελεσματικό και οικονομικό πυρηνικό αντιδραστήρα στον κόσμο. Πριν καταλήξει στην προσέγγισή του, ο Kugelmass, τώρα 36 ετών, πήρε συνεντεύξεις από εκατοντάδες ειδικούς της πυρηνικής βιομηχανίας (και έκανε τις συζητήσεις για Το podcast Titans of Nuclear) για να σταχυολογήσει τη συλλογική σοφία του κλάδου. Αν και έχει πίστη στο μακροπρόθεσμο μέλλον της σύντηξης, ο Kugelmass αποφάσισε ότι το καλύτερο στοίχημα στον κόσμο για τη μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα ήταν η κατασκευή αρθρωτών αντιδραστήρων σχάσης με τον απλούστερο, φθηνότερο και ασφαλέστερο δυνατό τρόπο. Στο εργοστάσιό της κοντά στο Χιούστον, η Last Energy κατασκευάζει τώρα τους πρώτους μικρούς, αρθρωτούς αντιδραστήρες νερού υπό πίεση, οι οποίοι χρησιμοποιούν εξαρτήματα εκτός ραφιού, που προέρχονται από υπάρχουσες αλυσίδες πυρηνικού εφοδιασμού, με τεχνολογία που έχει τελειοποιηθεί εδώ και δεκαετίες και χρησιμοποιείται σε περισσότερα πάνω από 300 αντιδραστήρες σε όλο τον κόσμο.

Ήδη, η Last Energy έχει πουλήσει 10 από τις μονάδες 20 μεγαβάτ της σε έναν πελάτη στην Πολωνία, άλλες δύο για τη Ρουμανία και μια χούφτα για τη Βρετανία. Ο Kugelmass λέει ότι η πνευματική του ιδιοκτησία δεν έγκειται στα αποδεδειγμένα στοιχεία, αλλά στο πώς να τα συνδυάσει όλα μαζί. Μέχρι στιγμής έχει συγκεντρώσει 24 εκατομμύρια δολάρια με επικεφαλής Gigafund, και αναμένει ότι οι πρώτοι αντιδραστήρες στην Πολωνία θα λειτουργήσουν το 2025. Για τη χρηματοδότηση των μηχανημάτων, η Last Energy συνάπτει μακροπρόθεσμες συμφωνίες αγοράς ενέργειας, υποσχόμενες στους πελάτες δεκαετίες πυρηνικής ενέργειας μηδενικού άνθρακα σε τιμές χαμηλότερες της αγοράς. «Καταφέραμε να χαράξουμε μια επιθυμητή θέση που κανείς δεν ακολουθούσε», λέει ο Kugelmass. «Κάναμε μαύρο κουτί όλη την επιχείρηση».

Όσο δελεαστική κι αν είναι η υπόσχεση για τη σύντηξη, εάν ο Kugelmass έχει τον τρόπο του, οι ανταγωνιστικές πραγματικότητες της καθιερωμένης, αξιόπιστης σχάσης θα μπορούσε ακόμη να υποβιβάσει τον νέο ξάδερφό του στον κάδο των ηρωικών τεχνολογικών αποτυχιών — θυμάστε το Betamax, το Google Glass και το New Coke;

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΦΟΡΕΣΤροφοδοτούμενη από δισεκατομμυριούχους δολάρια, η πυρηνική σύντηξη εισέρχεται σε μια νέα εποχήBy Κρίστοφερ ΧέλμανΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΦΟΡΕΣThe New Nuclear: Πώς ένας Unicorn με ενέργεια σύντηξης 600 εκατομμυρίων δολαρίων σχεδιάζει να νικήσει την ηλιακή ενέργειαBy Κρίστοφερ ΧέλμανΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΦΟΡΕΣΟι ήσυχοι δισεκατομμυριούχοι πίσω από το αρπακτικό drone της Αμερικής που σκότωσε τον Σουλεϊμανί του ΙράνBy Deniz Çam