Hvorfor atomfusion vinder damp - igen

Dengang jeg studerede geologi på gymnasiet, energiens langsigtede fremtid havde et enkelt navn:atomfusion. Det var 1970’erne. Fysikerne, som jeg studerede med, forudsagde, at ved at tappe på denne rene nye kilde til elektrisk kraft ved at tvinge to brintkerner til at kombinere og frigive enorme mængder energi, kan være 50 år fri.

Fire årtier senere, efter jeg havde forladt min karriere inden for forskning og forfatterskab inden for energiindustrien og begyndt en anden karriere som forfatter og professor, Jeg fandt ud af at lave den samme prognose med mine egne studerende og læsere. I det, der var blevet en ironisk kliché, fusion, det så ud til, for evigt ville forfølge en fjern horisont.

Det ser ud til at ændre sig, endelig.

Takket være fremskridt inden for fysikforskning, materialevidenskab og supercomputing, forskere bygger og tester flere fusionsreaktordesign. Omkring et dusin fusionsstartups med innovative ideer har den private investering, de har brug for for at se, hvad de kan opnå. Stadig, det er for tidligt at bryde champagnen ud, og ikke kun af tekniske årsager.

Overveldende gennembrud

Et problem er, at et gennembrud i laboratoriet ikke garanterer innovation eller succes på markedet, fordi energi er meget prisfølsom. Også, fusion illustrerer, hvor få ting der kan ødelægge troen på en ny teknologi som et forestående "gennembrud", der ikke bliver til noget.

Først, der var den kolde fusionsdebakel i 1989, da to forskere gik til medierne med den ubekræftelige påstand, at de havde opnået stuetemperaturfusion og blev udstødt af det videnskabelige samfund, tøver billedet af denne energikilde som en reel mulighed.

Derefter, forskere ramte en milepæl i 1994, da testfusionsreaktoren i Princeton satte ny rekord for spidseffekt på 10,7 megawatt, som New York Times sagde dengang var "nok til at drive 2, 000 til 3, 000 boliger for et øjeblik, betyder nogenlunde et mikrosekund. Videnskabeligt, at begivenheden havde stor betydning, selvom den blev toppet i 1997. Alligevel lovede den næppe en kraftreaktor lige rundt om hjørnet.

Langs vejen, forskernes og journalisters tendens til at hype reelle fremskridt mod fusion, om det er for at tiltrække finansiering eller læsere, har undergravet den offentlige støtte på sigt.

I dag, faktisk, forskellige medierapporter tyder fortsat på et udslæt af fusionsgennembrud.

Virkelige fremskridt

Er der virkelig sket fremskridt? I imponerende grad, Ja. Men mest hvad angår videnskabelig og ingeniørforskning. Hvis der endnu en gang er et andet krav, der meddeler, at verden nu endelig lukker løsningen på alle energiproblemer, så bliver myten solgt i sandhedens sted.

Mange forskere er tiltrukket af både fission, strømkilden i nutidens atomreaktorer, og fusion, på grund af den spektakulære mængde energi, de tilbyder. Det vigtigste brændstof til fission, Uran-235, har 2 millioner gange den energi pr. pund, som olie gør. Fusion kan levere op til syv gange det eller mere.

Det brændstof, der bruges til fission, er ekstremt rigeligt. Det samme gælder for fusion, men uden noget langtidsfarligt affald. Til fusion, brændstoffet er to isotoper af brint, deuterium og tritium, hvoraf den første kan udvindes fra havvand og den anden fra lithium, hvis ressourcer er store og voksende.

Derfor, manglen på at forfølge disse kolossale ikke-kulstofkilder kan meget vel synes at være kolossalt selvnedslående.

Fusion er svær at udnytte, selvom. I stjerner, som er lavet af plasma, en stof med høj energi, hvor negativt ladede elektroner er fuldstændigt adskilt fra positivt ladede kerner, fusion finder sted på grund af enorme tyngdekræfter og ekstreme temperaturer.

At forsøge at skabe lignende betingelser her på Jorden har krævet grundlæggende fremskridt på en række områder, fra kvantefysik til materialevidenskab. Forskere og ingeniører har gjort nok fremskridt i løbet af det sidste halve århundrede, især siden 1990'erne, at gøre det sådan levedygtigt at bygge en fusionsreaktor, der er i stand til at generere mere strøm, end det tager at drive, inden for to årtier, ikke fem. Supercomputing har hjulpet enormt, giver forskere mulighed for præcist at modellere plasmas adfærd under forskellige forhold.

Reaktortyper

Der er to grunde til at være optimistisk omkring fusion lige nu. To store fusionsreaktorer bygges eller bygges. Og fusionsopstart med det formål at bygge mindre reaktorer, hvilket ville være billigere, lettere og hurtigere konstruktion, formerer sig.

En af de to store reaktorer er en doughnut-formet tokamak-et russisk akronym for en sovjetisk opfindelse lavet i 1950'erne, der var designet til at begrænse og komprimere plasma til en cylindrisk form i et kraftigt magnetfelt. Kraftig komprimering af deuterium-tritiumplasma ved ekstremt høje temperaturer-som i omkring 100 millioner grader Celsius-får fusion til at forekomme.

ITER (latin for "vejen") er et samarbejde mellem EU og regeringerne i Indien, Japan, Sydkorea, Rusland, Kina og USA Dette konsortium bruger nu mere end 20 milliarder dollars på at bygge en kæmpe tokamak i det sydlige Frankrig. I 2035, det er beregnet til at generere 500 megawatt, mens det kører på kun 50 megawatt. At nå dette mål ville i det væsentlige bekræfte, at fusion er en mulig kilde til ren energi i stor skala.

Den mindste, men tungeste af de seks ringformede magneter eller poloidale feltspiraler i #ITER #tokamak er ved at tage form i Kina. Det er ti meter i diameter, men vejer hele 400 tons. September er målrettet til afslutning. https://t.co/a7ahvoh7qn pic.twitter.com/5SnFZeEoXv

- ITER (@iterorg) 30. marts 2018

Den anden er en mere kompleks, snoet donutstellarator, kaldet Wendelstein 7-X, bygget i Tyskland med det samme formål. Bøjninger i sit kammer vrider plasmaet, så det har en mere stabil form og kan være begrænset i længere tid end i en tokamak. 7-X kostede omkring 1 milliard dollar at bygge, inklusive webstedets udgifter. Og hvis tingene går efter planen, det kan være i stand til at generere en betydelig mængde elektricitet inden omkring 2040.

Wendelstein 7-x (stellarator) -designet og det faktiske plasmafelt, aktiveret af 3D magnetisk indeslutning vs 2D. Det er smukt pic.twitter.com/QLHbGmNQ1Q

- OppenheimersBlockchain (@Corpusmentis0) 2. april kl. 2018

I mellemtiden, næsten et dusin startups designer nye slags reaktorer og kraftværker, som de siger kan komme online længe før og langt billigere - selvom den nødvendige teknologi ikke er der endnu.

For eksempel, Commonwealth Fusion Systems, en MIT-spin-off, der stadig er knyttet til universitetets Plasma Science and Fusion Center og delvist finansieret af det italienske olieselskab Eni, sigter mod at skabe særligt kraftfulde magnetfelter for at se, om der kan genereres fusionskraft med mindre tokamaks.

Og General Fusion, en Vancouver-baseret venture Amazon-grundlægger Jeff Bezos bakker op, ønsker at bygge en stor sfærisk reaktor, hvor brintplasma ville være omgivet af flydende metal og komprimeret med stempler for at forårsage et fusionsudbrud. Skulle det virke, denne energi ville opvarme det flydende metal for at generere damp og dreje en turbinegenerator, producerer enorme mængder elektricitet.

Muligt gennembrud inden for energi:MIT og nyt selskab lancerer ny tilgang til fusionskraft #LightTheSPARC https://t.co/2sYO2ki1dy

- Steven Pinker (@sapinker) 9. marts 2018

Rig nok

Med slanke operationer og klare missioner, disse startups er hurtige nok til hurtigt at flytte fra tegnebræt til egentlig konstruktion. I modsætning, multinationale komplikationer koster ITER tid og penge.

Da fremtidens energibehov vil være stort, at have forskellige fusionsmuligheder til rådighed, kan hjælpe med at opfylde dem, uanset hvor lang tid de tager. Men andre kilder til ikke-kulstofkraft er tilgængelige.

Det betyder, at fusionsforkæmpere skal overbevise deres finansiere rundt om i verden, at det er værd at fortsætte med at støtte denne fremtidige mulighed, når andre ikke-kulstofkilder, som vind- og solenergi (og nuklear fission - i hvert fald uden for USA, Japan og EU) skalerer eller udvider. Hvis spørgsmålet er, om det er værd at satse stort på en ny ikke-kulstofteknologi med stort potentiale, så tyder den hurtige vækst i vedvarende energi i de seneste år på, at de var det bedre spil.

Men hvis de omkring 3,5 billioner dollars investeret i vedvarende energi siden 2000 havde alle støttet fission, Jeg tror, ​​at fremskridtene med denne teknologi ville have ført til, at alle resterende kul- og oliefyrede kraftværker nu er forsvundet fra jordens overflade.

Og hvis de samme penge i stedet havde støttet fusion, måske ville en fungerende reaktor nu eksistere. Men verdens velhavende nationer, investeringsselskaber og milliardærer kan let støtte fusionsforskning og eksperimentering sammen med andre muligheder. Ja, drømmen om fusionskraft virker nu sikker på hverken at dø eller forblive en drøm.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.