Wreszcie, Fusion stawia małe kroki w kierunku rzeczywistości

Po trzech dekadach kosztownych, finansowanych przez rząd badań, które nie przyniosły namacalnych przełomów, fuzja jądrowa przekształciła się z obiecującego źródła praktycznie nieograniczonej mocy w coś bardziej przypominającego puentę.

Jednak w ubiegłym roku zaczęło się to zmieniać. Kilka prywatnych firm i małych uniwersyteckich grup badawczych zajmujących się nowatorskimi projektami reaktorów termojądrowych dostarczyło obiecujących wyników, które mogą skrócić czas produkcji prototypowej maszyny z dziesięcioleci do kilku lat. Komercyjne wytwarzanie energii z syntezy jądrowej jest jeszcze daleko, ale zarysy takiego reaktora można teraz dostrzec.

Tradycyjne badania nad fuzją koncentrowały się na dużych maszynach w kształcie tokamaków, zwanych tokamakami, które wywierają silne pola magnetyczne w celu kompresji plazmy w wysokiej temperaturze — wirujących kul naładowanych cząstek, które łączą się w hel, uwalniając w tym procesie duże ilości energii. Wyzwaniem jest powstrzymanie gorącej plazmy i utrzymanie jej stabilnej; dzisiejsze reaktory termojądrowe, takie jak ten w Międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy (ITER) w południowej Francji wykorzystuje gigantyczne cewki elektromagnesów, które zużywają znacznie więcej energii niż maszyna faktycznie wytwarza. Przewiduje się, że ITER (wymawiany zjadacz), który przyciąga naukowców i fundusze z Chin, Unii Europejskiej, Indii, Rosji, Japonii, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych, będzie kosztował dziesiątki miliardów dolarów, aby wyprodukować działający reaktor w latach 30. XX wieku . Być może.

Dwa ostatnie osiągnięcia, oferujące nowe i szybsze ścieżki do reaktorów termojądrowych wytwarzających energię, pobudziły społeczność termojądrową. Tri Alpha Energy, z siedzibą w Foothill Ranch w Kalifornii, powiedział na początku sierpnia, że ​​udało jej się utrzymać stabilną wysokoenergetyczną plazmę przez pięć milisekund — znacznie mniej niż mgnienie oka, ale pół wieczności w skali reakcji fuzji , według dyrektora ds. technologii, Michla Binderbauera.

Tri Alpha, mówi Binderbauer, pozwala wykorzystać zasady wysokoenergetycznych akceleratorów cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, do rozwiązania problemów reaktorów termojądrowych. W szczególności zespół zbudował urządzenie o długości 23 metrów, które wystrzeliwuje na siebie dwie chmury plazmy, tworząc pierścień plazmy. Pole magnetyczne, które utrzymuje pierścień razem, jest generowane przez samą plazmę — technikę znaną jako konfiguracja odwróconego pola. Plazma jest podtrzymywana przez wstrzykiwanie wysokoenergetycznych cząstek z akceleratorów.

Wyzwaniem dla projektu Tri Alpha, mówi Binderbauer, jest wystarczająco gorąca i wystarczająco długa, aby utrzymać stabilną plazmę w wystarczająco wysokiej temperaturze, aby uzyskać dodatnią energię fuzji. Niedawny eksperyment wykazał, że firma — która pozyskała miliony dolarów finansowania od inwestorów, w tym Goldman Sachs i Vulcan, funduszu inwestycyjnego współzałożyciela Microsoftu Paula Allena — rozwiązała wystarczająco długi problem. Kolejnym kluczowym wyzwaniem jest podgrzanie plazmy. W przyszłym roku Tri Alpha rozpocznie budowę nowej i wydajniejszej wersji swojego eksperymentalnego urządzenia, aby przetestować proces w wyższych temperaturach.

W MIT Centrum Nauki i Fuzji Plazmy , grupa kierowana przez Dennisa Whyte'a, profesora nauk i inżynierii jądrowej oraz dyrektora centrum i doktoranta Brandona Sorboma, opublikowała w lipcu projekt koncepcyjny maszyny o nazwie reaktor ARC (niedrogi, solidny, kompaktowy). Nowością konstrukcji ARC jest charakter elektromagnesów, które ograniczają plazmę. Dzięki niedawno opracowanym elastycznym taśmom nadprzewodzącym wykonanym z tlenku barowo-miedziowego ziem rzadkich reaktor ARC może wytwarzać pola magnetyczne o znacznie większej amplitudzie, co umożliwia zaprojektowanie reaktora znacznie mniejszego niż inne maszyny oparte na tokamakach. Badacze wyobrażają sobie również płynną warstwę otaczającą plazmę, która będzie absorbować neutrony bez uszkodzeń i zapewniać wydajne medium wymiany ciepła do produkcji energii elektrycznej.

Zwiększenie amplitudy otaczającego pola magnetycznego podnosi ilość energii termojądrowej wytwarzanej w plazmie do czwartej potęgi – dramatyczny wzrost, który może doprowadzić do komercyjnego prototypu w ciągu kilku lat, według Whyte'a.

Powszechnie wiadomo, że można zrobić bardzo kompaktowe urządzenia, jeśli podniesie się pole magnetyczne do bardzo wysokiego poziomu, mówi, ale elektromagnesy musiały być miedziane — żaden nadprzewodnik nie był w stanie tolerować tego pola magnetycznego. Teraz pojawienie się zaawansowanych taśm nadprzewodnikowych może umożliwić powstanie kompaktowego reaktora, który będzie wytwarzał fuzję w sposób ciągły.

Opublikowane w Inżynieria i projektowanie syntezy jądrowej , artykuł dotyczący reaktora ARC podkreśla, że ​​na razie jest to tylko projekt koncepcyjny. Whyte ma nadzieję przyciągnąć fundusze na budowę eksperymentalnej maszyny w ciągu najbliższych kilku lat. Tymczasem garść prywatnych firm, w tym nie tylko Tri Alpha, ale także Energia Tokamaka , z siedzibą w Anglii i z siedzibą w Vancouver Ogólna fuzja , pracują nad powiązanymi, ale różnymi projektami, aby wprowadzić fuzję do etapu prototypu (patrz Nowe podejście do fuzji).

Zbliżamy się do pracujących maszyn – mówi Michel Laberge, założyciel i główny naukowiec General Fusion. Przez wiele lat badania nad syntezą jądrową były domeną dużych rządowych laboratoriów, które wykonały świetną robotę i stworzyły podstawy do działania syntezy jądrowej. Ale nie było wielkiego poczucia pilności.

Teraz pilność wzrosła, a firmy te testują nowe pomysły i nowe podejścia — i przyciągają do tego inwestycje. General Fusion niedawno pozyskał 27 milionów dolarów nowego finansowania od grupy inwestorów kierowanej przez suwerenny fundusz majątkowy Malezji.

W tej chwili to, co się dzieje, to przemyślenie na nowo, mówi Burton Richter , który zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1976 roku i jest doradcą Tri Alpha. Cięcia budżetowe w latach 90. wymusiły zamknięcie alternatywnych podejść poza ITER i National Ignition Facility Departamentu Energii USA. Firmy takie jak Tri Alpha oferują ścieżkę do fuzji wybrukowaną nie pieniędzmi podatników, ale pieniędzmi sektora prywatnego – co ostatecznie jest jedynym sposobem, aby coś zbudować.

Jonathan Menard, fizyk plazmowy w Princeton Plasma Physics Laboratory, kieruje Narodowy Eksperyment Sferyczny Torus , który ściga tokamaka w kształcie piłki plażowej zamiast pączka. Menard, którego własny program niedawno zakończył modernizację swojej eksperymentalnej maszyny o wartości 94 milionów dolarów, uważnie śledził rozwój w ramach wysiłków Tri Alpha i ARC i uważa, że ​​te innowacje powinny być dalej rozwijane.

Jednak z ostrożnością doświadczonego naukowca zajmującego się fuzją radzi zachować ostrożność: dopóki go nie zbudujesz, nie masz pewności.

ukryć