Η πυρηνική σύντηξη θα μπορούσε να είναι η καθαρή ενέργεια που χρειάζεται ο κόσμος – και οι ιδιωτικές εταιρείες εργάζονται τώρα σε μηχανές για να την αξιοποιήσουν.
Περίπου δύο δωδεκάδες ιδιωτικές εταιρείες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να αξιοποιήσουν μια μετασχηματιστική τεχνολογία ενέργειας που θα μπορούσε να σώσει τον πλανήτη από την κλιματική καταστροφή. Κάποιος χρησιμοποιεί το χώρο σε ένα παλιό εργοστάσιο που φιλοξενεί μια μηχανοκίνητη ερευνητική μηχανή στο Υπουργείο Ενέργειας του Κέιμπριτζ στη Μασαχουσέτη. Ένα άλλο στεγάζεται σε ένα βιομηχανικό κτίριο πίσω από το Costco έξω από το Βανκούβερ. Ένα τρίτο είναι κάτω από το δρόμο από μια εγκατάσταση αυτο-αποθήκευσης στους πρόποδες του Orange County, Καλιφόρνια.
Οι εταιρείες εργάζονται για την εμπορία της σύντηξης.
Η υπόσχεση της Fusion είναι τεράστια. Θα ήταν η πιο ενεργειακά πυκνή μορφή ισχύος: Ένα λίτρο καυσίμου σύντηξης ισοδυναμεί με 55.000 βαρέλια πετρελαίου. Στην πιο κοινή μορφή του, το καύσιμο θα προέρχεται από μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή: το νερό. Στην πραγματικότητα, 2 κυβικά χιλιόμετρα θα μπορούσαν θεωρητικά να παρέχουν ενέργεια ισοδύναμη με όλα τα αποθέματα πετρελαίου στη Γη. “Είναι πανταχού παρούσα, εγγενώς ασφαλής, ενέργεια μηδενικού άνθρακα – σε κλίμακα που μπορεί να τροφοδοτήσει τον πλανήτη”, λέει ο Matt Miller, πρόεδρος της Stellar Energy Foundation Inc., μη κερδοσκοπικός οργανισμός που προωθεί την ανάπτυξη της σύντηξης. “Τώρα αξίζει να εργαστούμε.”
Ήταν μόνο πριν από περίπου 100 χρόνια που οι άνθρωποι ήρθαν να καταλάβουν ότι η σύντηξη ήταν η διαδικασία που τροφοδοτεί τον ήλιο. Λίγο αργότερα, οι επιστήμονες άρχισαν να προσπαθούν να το ξαναδημιουργήσουν. Από τα επιτραπέζια πειράματα , η σύντηξη εξελίχθηκε γρήγορα στο Big Science . Από το 1953, η αμερικανική κυβέρνηση έχει αφιερώσει πάνω από 30 δισεκατομμύρια δολάρια στην έρευνα σύντηξης, συμπεριλαμβανομένης της βασικής επιστήμης και όπλων, σύμφωνα με στοιχεία της Fusion Power Associates , μιας άλλης μη κερδοσκοπικής εταιρείας. Οι ευρωπαϊκές χώρες , η Ρωσία , η Κίνα και η Ιαπωνία έχουν επίσης πραγματοποιήσει τεράστιες επενδύσεις για την επιδίωξη του ιερού πολιτισμού.
Από τις δεκαετίες του 1950, ωστόσο, οι προσδοκίες ότι οι ερευνητές βρίσκονται στα πρόθυρα των ανακαλύψεων έχουν επανειλημμένα καταλήξει σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό που είναι διαφορετικό τώρα είναι ότι οι εξελίξεις στην τεχνολογία φέρνουν τη σύντηξη στο έπακρο.
Η μετατροπή της θεωρίας σε πρακτικές συσκευές επιτρέπεται από τις προόδους στον τομέα της υπερυπολογιστής και της πολύπλοκης μοντελοποίησης, λέει ο Steven Cowley , διευθυντής του Εργαστηρίου Φυσικής Πλάσμας του Πρίνστον και πρώην επικεφαλής της Αρχής Ατομικής Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου. Η σύντηξη ορίστηκε ως “ο τέλειος τρόπος για να γίνει ενέργεια εκτός από ένα πράγμα: Δεν ξέρουμε πώς να το κάνουμε”, λέει ο Cowley. “Αλλά το κάνουμε.”
Στη σχάση, ένας μεγάλος, ασταθής πυρήνας χωρίζεται σε μικρότερα στοιχεία, απελευθερώνοντας ενέργεια. Η σύντηξη, αντίθετα, αρχίζει με τα ελαφρά άτομα. Πάρτε δύο πυρήνες υδρογόνου, για παράδειγμα. Συνήθως, τα θετικά τους χρέη αποκλίνουν. Αλλά εφαρμόστε αρκετή θερμότητα και πίεση και θα μπορούσαν να φτάσουν αρκετά κοντά για να προσελκύσουν τη δύναμη της πυρηνικής δύναμης εξαιρετικά μικρής εμβέλειας αλλά ισχυρής ισχυρής πυρηνικής δύναμης, ενώζοντάς τους σε ένα ενιαίο πυρήνα ηλίου. Όταν συμβαίνει αυτό, η μάζα του νεοσύστατου πυρήνα καταλήγει ελαφρώς μικρότερη από το άθροισμα των δύο πυρήνων υδρογόνου. Και αυτή η διαφορά στη μάζα απελευθερώνεται ως ενέργεια, σύμφωνα με τη διάσημη εξίσωση E = mc2 του Albert Einstein. Απλός. Τα αστέρια το κάνουν. Ο ήλιος το κάνει. Είναι η βασική ενεργειακή διαδικασία του σύμπαντος.
Ωστόσο, οι πρώτες προσπάθειες για την αξιοποίησή του έδωσαν τη σύντηξη μια φήμη για διαφημιστική εκστρατεία και απογοήτευση. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο ένας Αυστριακός επιστήμονας που δούλευε στη Γερμανία κατέληξε στην Αργεντινή, όπου έπεισε τον δικτάτορα Juan Perón να χρηματοδοτήσει τα πειράματά του σύντηξης. Σε ένα νησί σε μια απομακρυσμένη λίμνη των Άνδεων, ο επιστήμονας Ρόναλντ Ρίχτερ δημιούργησε μια περίτεχνη εγκατάσταση . Τον Φεβρουάριο του 1951, ανίχνευσε αυτό που φαίνεται να είναι θερμότητα από μια θερμοπυρηνική αντίδραση στον αντιδραστήρα του. Τον επόμενο μήνα, ο Perón ανακοίνωσε σε συνέντευξη Τύπου ότι η Αργεντινή είχε εκμεταλλευτεί το άτομο για να δημιουργήσει απεριόριστη ενέργεια. Μια μεταγενέστερη έρευνα διαπίστωσε ότι μια δυσλειτουργία των οργάνων του Ρίχτερ οδήγησε στην ανάγνωση της εσφαλμένης θερμότητας. Ο Ρίχτερ ήταν αναξιόπιστος.
Μακρύς δρόμος
Η ιστορία της Fusion είναι γεμάτη από απογοητεύσεις καθώς και από προκαταβολές
Το 1920 ο
Βρετανός αστρονόμος Arthur Eddington’s “Το εσωτερικό σύνταγμα των αστεριών” δηλώνει ότι τα αστέρια συμπεριλαμβανομένου του ήλιου τροφοδοτούνται από τη σύντηξη του υδρογόνου.
1938
Ο πυρήνικός φυσικός Hans Bethe περιγράφει τις αντιδράσεις σύντηξης που δημιουργούν την ενέργεια που εκπέμπεται από τα αστέρια, για την οποία αργότερα κερδίζει το βραβείο Νόμπελ.
1951 Ο
Juan Perón και ο επιστήμονας Ronald Richter ανακοινώνουν ότι η Αργεντινή έχει αναπτύξει ενέργεια σύντηξης.
1952
Η πρώτη δοκιμή μιας βόμβας υδρογόνου, με την κωδική ονομασία Ivy Mike, χρησιμοποιεί μια έκρηξη σχάσης για να αναφλέξει μια αντίδραση σύντηξης σε καύσιμο δευτερίου. Η έκρηξη των 10 μεγατόνων αφήνει έναν μεγάλο κρατήρα στην αόλλα του Enewetak.
1958
ΖΕΤΑ ενθουσιασμός και απογοήτευση καθώς οι βρετανοί ερευνητές ανακοινώνουν ότι πιθανώς δημιούργησαν μια ελεγχόμενη αντίδραση σύντηξης, αλλά αργότερα ανακάμπτουν.
1964
Μια επίδειξη σύντηξης στο Progressland στην Παγκόσμια Έκθεση στη Νέα Υόρκη.
1969
Σε ένα παράδειγμα συνεργασίας, το Ηνωμένο Βασίλειο φέρνει εξοπλισμό λέιζερ στη Σοβιετική Ένωση για να μετρήσει τη θερμοκρασία του tokamak T-3, επιβεβαιώνοντας πλάσμα 10 εκατομμυρίων C.
Το 1982
, ο αντιδραστήρας δοκιμής σύντηξης Tokamak, ή το TFTR, ξεκινάει από το εργαστήριο Φυσικής του Πλανήματος Πρίνστον. Ορίζει μια θερμοκρασία πλάσματος ρεκόρ 510 εκατομμυρίων C.
1985
Η Σοβιετική Ένωση προτείνει τη διεθνή συνεργασία για τη σύντηξη στη σύνοδο κορυφής της Γενεύης του Μιχαήλ Γκορμπατσόφ και του Ρόναλντ Ρέιγκαν, η οποία οδηγεί στην έναρξη του ITER.
1989 Οι
χημικοί Martin Fleischmann και το πείραμα κρύου σύντηξης του Stanley Pons δεν μπορούν να αναπαραχθούν.
1997
Το Joint European Torus, ή το JET, καταγράφει ρεκόρ με παραγωγή σύντηξης 16,1 megawatts, που ισοδυναμεί περίπου με το 67% της ενέργειας εισόδου, Q 0,67.
2019 Η
κατασκευή του διεθνούς έργου επίδειξης σύντηξης ITER, στο νότιο τμήμα της Γαλλίας, είναι 60% πλήρης. Όταν ενεργοποιηθεί, ο ITER αναμένεται να παράγει 10 φορές την ενέργεια που καταναλώνει, ένα Q των 10.
Πολλοί φυσικοί ήταν σκεπτικοί της αρχικής έκθεσης, αλλά οι ειδήσεις για την προφανή εξέλιξη ώθησαν την έρευνα στις ΗΠΑ, το Ηνωμένο Βασίλειο και τη Σοβιετική Ένωση. Στο Princeton, ένα κορυφαίο σχέδιο αμερικανικής κυβέρνησης που στοχεύει στην επεξεργασία της βόμβας H άρχισε να ερευνά την τεχνολογία σύντηξης. Το 1951 επιστήμονες εκεί άρχισαν να αναπτύσσουν μια συσκευή που ονομάζεται stellarator που θα χρησιμοποιούσε μαγνητικά πεδία για να περιορίσει το υπερθερμασμένο πλάσμα. Η προσπάθεια, με την ονομασία Project Matterhorn, τελικά αποχαρακτηρίστηκε και έγινε το εργαστήριο Φυσικής Πλάσμας του Πρίνστον.
Στο Ηνωμένο Βασίλειο, η εργασία σε ένα μηχάνημα που ονομάζεται Zeta , το οποίο «τράβηξε» το καύσιμο σύντηξης με ένα τεράστιο ρεύμα μέσω αυτού, οδήγησε σε μια άλλη πρόωρη ανακοίνωση της αυγής της εποχής σύντηξης, το 1958. Αποδείχθηκε ότι οι παράξενες αστάθειες στο καύσιμο ήταν αυτό που οδήγησε τους ερευνητές να σκεφτούν λανθασμένα ότι είδαν στοιχεία σύντηξης.
Οι ειδήσεις της Αργεντινής έκαναν επίσης γρήγορη επεξεργασία σε μια ιδέα που ανέπτυξε ο σοβιετικός φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ, ένας νικητής του αντιφρονούντος και του Νόμπελ Ειρήνης: περιορίζοντας το καύσιμο σύντηξης σε σχήμα ντόνατ με μηχανή που ονομάζεται tokamak .
Από τη δεκαετία του 1960, όταν κυβερνητικά εργαστήρια και πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο άρχισαν να κατασκευάζουν τοκαμάκους σοβαρά, κατασκευάστηκαν περισσότερες από 200 μηχανές εργασίας. Ένα βασικό σημάδι της προόδου στο πεδίο σύντηξης είναι το διάγραμμα του λεγόμενου τριπλού προϊόντος , μέτρου απόδοσης του αντιδραστήρα. Σχεδιάστε τον αριθμό αυτό – πόσο ζεστό, πόσο πυκνό και πόσο καλά είναι μονωμένα τα συστήματα – σε σχέση με ένα χρονοδιάγραμμα, και μοιάζει πολύ με το νόμο του Moore, το διάσημο διπλασιασμό της υπολογιστικής ισχύος κάθε δύο χρόνια. Αλλά η βελτίωση της σύντηξης είναι ακόμη πιο γρήγορη. «Τύπου Tokamak έχουν κερδίσει το νόμο του Moore,» λέει ο Bob Mumgaard , διευθύνων σύμβουλος της Κοινοπολιτείας Συστήματα Fusion , το οποίο ξέφυγε από του MIT.
Γιατί λοιπόν έχει σημασία πόσο θερμό είναι το σύστημα σύντηξης; Εξετάστε τον ήλιο. Το τοπικό μας αστέρι έχει πολλή βαρύτητα συν-μεγέθους για να εφαρμοστεί στη διαδικασία σύντηξης. Το εσωτερικό του φέρνει την πίεση ισοδύναμης μάζας περίπου 333.000 Γη και θερμοκρασία περίπου 15 εκατομμυρίων C (27 εκατομμύρια F). Αυτό είναι το είδος της σφυρηλασίας στην οποία συμβαίνει η σύντηξη.
Στη Γη, με πολύ λιγότερη βαρύτητα, χρειάζεστε υψηλότερες θερμοκρασίες: 100 εκατομμύρια C, για παράδειγμα. Έτσι, το πρώτο βήμα για να φτάσουμε εκεί είναι να θερμάνουμε ένα αέριο και να το μετατρέψουμε σε πλάσμα , λέει ο Michl Binderbauer , Διευθύνων Σύμβουλος της TAE Technologies Inc., με έδρα το Foothill Ranch, Καλιφόρνια. “Αυτό συμβαίνει προσθέτοντας περισσότερη ενέργεια, έτσι σε κάποιο σημείο τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια που απαρτίζουν τα άτομα καταρρέουν σε μια σούπα φόρτισης », λέει. “Αυτή είναι η κατάσταση που στην πραγματικότητα το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος βρίσκεται σε αυτό που ονομάζουμε πλάσμα.”
Σχεδόν όλο το ορατό υλικό στο σύμπαν είναι το πλάσμα. “Ζούμε πιθανότατα σε ένα από τα λίγα στίγματα του σύμπαντος όπου δεν υπάρχει πλάσμα στο άμεσο περιβάλλον μας, εκτός από αστραπή ή κάτι τέτοιο”, εξηγεί ο Binderbauer. Επιπλέον, στη δεκαετία του 1950, όταν οι αστάθειες και άλλες «funky συμπεριφορές» στο πλάσμα αποδείχθηκαν ότι καθιστούν τη σύντηξη πολύ πιο δύσκολο από το αναμενόμενο, λέει ο Mumgaard, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός ολόκληρου κλάδου, της φυσικής του πλάσματος. Ο τομέας έχει με τη σειρά του συμβάλει στην πρόοδο στην ιατρική και στην κατασκευή ημιαγωγών .
Τώρα, η θέρμανση πλάσματος σε 100 εκατομμύρια C ακούγεται τρομακτικό και τρομακτικό. Δεν θα εξατμίζει ό, τι αγγίζει; Σύντομη απάντηση: όχι. Το πλάσμα είναι μια χούφτα σωματιδίων σε ένα θάλαμο κενού, λέει ο Binderbauer. Είναι εκατομμύρια φορές λιγότερο πυκνό από τον αέρα, η κατάσταση του είναι εξαιρετικά εύθραυστη και αν αγγίζει κάτι που κρυώνει αμέσως. Το νορμανδικό μηχάνημα της TAE θερμαίνει πλάσμα στα 35 εκατομμύρια βαθμούς, λέει ο Binderbauer. Εάν, υποθετικά, θα μπορούσε να κολλήσει το χέρι του στο κέλυφος κενού, λέει ότι το πλάσμα δεν θα τον κάψει. “Το χέρι μου θα απορροφήσει όλη την ενέργεια”, λέει. “Δεν θα κάνω ακόμη και πολύ ζεστό.” Η σύντηξη, σε αντίθεση με την σχάση, δεν κινδυνεύει να καταρρεύσει. “Πρέπει να προστατεύετε το πλάσμα από το περιβάλλον, όχι το αντίστροφο”, λέει.
Η σύντηξη θα έχει ένα άλλο σημαντικό όφελος από τον ηλιακό, τον άνεμο και άλλες διαλείπουσες πηγές ανανεώσιμης ενέργειας, λέει ο Christofer Mowry , Διευθύνων Σύμβουλος της General Fusion Inc., με έδρα το Burnaby, BC, κοντά στο Βανκούβερ. Στις περισσότερες εφαρμογές που αναμένονται για σύντηξη, η ενέργεια που δημιουργείται σε μια αντίδραση θα θερμαίνει το νερό και θα τρέξει μια συμβατική γεννήτρια ατμοστρόβιλων. Τα φυτά θα μπορούσαν να βρίσκονται σε ασφαλή και βολική τοποθεσία σε πόλεις και σε άλλα μέρη, απαιτείται ενέργεια, λέει ο Mowry.
Ένα προφανές μειονέκτημα της σύντηξης, το οποίο αντικατοπτρίζεται στην 70ετή ιστορία του πεδίου και έσπασε τις ελπίδες για επικείμενες ανακαλύψεις: Είναι εξαιρετικά δύσκολο να απογειωθεί.
Το 1983, ο πρόσφατος Lawrence Lidsky, ένας από τους συνεργάτες διευθυντής του τότε αποκαλούμενου Center Plasma Fusion του MIT, έγραψε ένα άρθρο με τίτλο ” The Trouble With Fusion “. Η Fusion, έγραψε, είναι ένα παράδειγμα εγχειριδίου για ένα καλό πρόβλημα τόσο για τους επιστήμονες όσο και για τους μηχανικούς . Πολλοί το θεωρούν ως το δυσκολότερο επιστημονικό και τεχνικό πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε ποτέ, ωστόσο παρ ‘όλα αυτά αποδίδουμε στις προσπάθειές μας. “Ωστόσο, ο Lidsky έθεσε έναν κατάλογο πλυντηρίων που, σύμφωνα με τους ισχυρισμούς, κατέστησε απίθανο ότι η σύντηξη θα ήταν ποτέ μια οικονομικά βιώσιμη πηγή της εξουσίας.
Πάνω από τρεις δεκαετίες αργότερα, τα προβλήματα που εντοπίστηκαν στο Lidsky παραμένουν. Επικεφαλής μεταξύ τους είναι η ραδιενέργεια. Βεβαίως, το καύσιμο που χρησιμοποιείται στη σύντηξη δεν δημιουργεί τους ίδιους κινδύνους με το ουράνιο της σχάσης και τα πυρηνικά απόβλητα. Για να κατανοήσουμε την πρόκληση ραδιενέργειας της σύντηξης απαιτεί μια ελαφρώς βαθύτερη κατάδυση στην επιστήμη.
Για να ξεκινήσει, μια ποικιλία διαφορετικών στοιχείων φωτός μπορεί να συνδυαστεί σε μια αντίδραση σύντηξης. Ωστόσο, το καύσιμο που είναι πιο εύκολο στη σύντηξη είναι ένας συνδυασμός 50-50 δύο ισοτόπων υδρογόνου: δευτέριο και τρίτιο. Η DT, όπως λέγεται, αποτέλεσε έτσι το κύριο επίκεντρο του πεδίου. Το δευτέριο είναι βαρύ υδρογόνο, το υλικό που βρίσκεται στο θαλασσινό νερό. Ο πυρήνας του αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο (σε αντίθεση με το μοναδικό πρωτόνιο του απλού παλιού υδρογόνου). Το τρίτιο είναι βαρύ, βαρύ υδρογόνο: ένα πρωτόνιο με δύο νετρόνια. Είναι ραδιενεργό, με χρόνο ημιζωής περίπου 12 ετών. Είναι επίσης εξαιρετικά σπάνιο και ακριβό, αλλά θα εκτραφεί σε αντιδραστήρες σύντηξης.
Όταν πυρήνες δευτερίου και τριτίου διασυνδέονται, η ενέργεια απελευθερώνεται ως σωματίδιο άλφα (πυρήνας ηλίου, που είναι δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια) και ένα πολύ ενεργό νετρόνιο. Αυτά τα νετρόνια είναι ουδέτερα, μη εξαντλημένα από το μαγνητικό πεδίο που συγκρατεί το πλάσμα. Συντρίβονται σε ό, τι υλικό τους αντιμετωπίζει, το οποίο, για παράδειγμα, στο tokamaks ονομάζεται πρώτο τοίχος. Η συντριβή μεταφέρει τη θερμότητα και επίσης χτυπά τα άτομα στο υλικό του τοίχου εκτός τόπου, καταστρέφοντάς το και καθιστώντας το ραδιενεργό.
Ο Daniel Jassby, ένας συνταξιούχος ερευνητής από το εργαστήριο φυσικής πλασματολογίας του Πρίνστον, λέει ότι η αδιέξοδη πυράκτωση των νετρονίων από το κάψιμο της DT θα δημιουργήσει πολλά ραδιενεργά απόβλητα. Η αντικατάσταση των αποδυναμωμένων δομών του πρώτου τοίχου θα αυξήσει το κόστος, λέει, εξαιτίας των δαπανών εγκατάστασης των νέων εξαρτημάτων καθώς και του χρόνου διακοπής λειτουργίας του συστήματος στο οποίο δεν θα πωλείται ενέργεια. Επιπλέον, το μέγεθος των μηχανών σημαίνει ότι οι αντιδραστήρες σύντηξης μπορούν να παράγουν έως και 10 φορές περισσότερα από τα συμβατικά αντιδραστήρια σχάσης, λέει. Και ενώ τα επίπεδα ακτινοβολίας μπορεί να μην είναι τόσο έντονα όσο αυτά των εξαντλημένων ράβδων καυσίμου ουρανίου, αυτό σημαίνει ότι τα υποπροϊόντα των συστημάτων σύντηξης είναι επικίνδυνα για έναν αιώνα αντί για χιλιετίες.
Το πραγματικό κόστος λειτουργίας των αντιδραστήρων σύντηξης μπορεί να μην είναι αρκετά χαμηλό για να καλύψει το κόστος τους, πόσο μάλλον να ανταγωνιστεί με υπάρχοντες σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, σύμφωνα με τον Jassby. “Γιατί θα ήθελε κανείς αυτό;”
Παρ ‘όλα αυτά, ένα ορισμένο στέλεχος του ουτοπικού ιδεαλισμού έρχεται πάντα μέσα από την προσπάθεια σύντηξης. Μπορεί να είναι αυτό που προκάλεσε τη συμφωνία του 1985 μεταξύ του προέδρου των ΗΠΑ Ρόναλντ Ρέιγκαν και του Σοβιετικού κόμματος Μιχαήλ Γκορμπατσόφ να συνεργαστούν για την οικοδόμηση ενός έργου ενέργειας σύντηξης. Τώρα γνωστός ως ITER , το γιγαντιαίο, μακροχρόνιο, 35-έθνικο συνεταιριστικό έργο βρίσκεται υπό κατασκευή – και περίπου 60% πλήρες – στο νότο της Γαλλίας.
Όταν ο ITER πετύχει το πρώτο του πλάσμα, το οποίο είναι σχεδιασμένο για το 2025, αναμένεται να χτυπήσει ένα ορόσημο σύντηξης: Θα παράγει περισσότερη ενέργεια από ό, τι καταναλώνει. “Δεν υπάρχει κανείς στον χώρο που δεν έχει πείρα και δεν πιστεύει πότε θα μετατρέψει τον ITER σε ότι θα παράγει καθαρή ενέργεια έξω”, λέει ο Mowry της General Fusion. Ο ITER αναμένεται να παράγει 500 megawatts ενώ καταναλώνει 50. Στο πεδίο του πεδίου, θα έχει Q> 1. Συγκεκριμένα, δεδομένου ότι αναμένεται να παράγει 10 φορές την ενέργεια που έχει τεθεί, θα είχε Q = 10.
Στην κοινότητα της φυσικής του πλάσματος, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η σύντηξη είναι βιώσιμη. Τώρα, αυτές οι νεοσύστατες επιχειρήσεις στοχεύουν στην οικοδόμηση ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργεί και κερδοφόρα, λέει ο Mowry. “Οι ιδιωτικές επιχειρήσεις συγχώνευσης δεν πρόκειται να δουλέψουν στη θεμελιώδη φυσική του πλάσματος και στην επιστήμη σύντηξης”, λέει. “Κάθονται πάνω από εκείνο τον μισό αιώνα από σκληρά κερδισμένες γνώσεις, και είναι όλοι για την εμπορευματοποίηση.”
Ακολουθεί ένα στιγμιότυπο τριών τέτοιων εταιρειών:
Commonwealth Fusion Systems, Cambridge, Mass.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Ανάπτυξη υπεραγώγιμων μαγνητών υψηλής θερμοκρασίας για τον περιορισμό του πλάσματος σε ένα μικρό τοκαμάκ, που ονομάζεται Sparc.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ: 115 εκατομμύρια δολάρια
ΕΠΕΝΔΥΤΕΣ: ENI, Breakthrough Energy Ventures *, Future Ventures, Khosla Ventures και άλλοι
(* Michael Bloomberg, ιδρυτής και πλειοψηφία του Bloomberg LP, που είναι κύριος του Bloomberg Markets,
Το Commonwealth Fusion Systems, το οποίο ξεκίνησε από καθηγητές από το Plasma Physics και Fusion Center του MIT το 2018, αναζητά χώρο. Προς το παρόν, οι σχεδιαστικές και τεχνικές ομάδες του CFS και του MIT εργάζονται σε αυτό που ήταν η αίθουσα ελέγχου του Alcator C-Mod , ενός πειραματικού tokamak που χρηματοδοτήθηκε από το Τμήμα Ενέργειας στην πανεπιστημιούπολη του MIT. Το μηχάνημα, το οποίο κάθεται σε ένα μεγάλο κόλπο δύο θυρών μακριά, έτρεξε ένα λεγόμενο υψηλό πεδίο χρησιμοποιώντας ιδιαίτερα ισχυρούς μαγνήτες και έθεσε ρεκόρ για την πίεση πλάσματος.
Το CFS επιδιώκει να πραγματοποιήσει την επόμενη πρόοδο στον μαγνητικό περιορισμό χρησιμοποιώντας νέους εμπορικά διαθέσιμους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας . Η ανακάλυψη τέτοιων υλικών ήταν μια πρόοδος που κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1987.
Πριν οι τελευταίες δεκαετίες να καταστούν διαθέσιμες οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, οι κατασκευαστές tokamak αντιμετώπισαν ένα εμπόδιο: χρησιμοποιούν μεγάλη ισχύ για να τρέξουν ένα υψηλό μαγνητικό πεδίο ή να χρησιμοποιήσουν ένα μικρότερο μαγνητικό πεδίο σε μια πολύ μεγαλύτερη συσκευή, όπως ο ITER, λέει ο Mumgaard της CFS . Οι νέοι υπεραγωγοί θα επιτρέψουν στην εταιρεία να κατασκευάσει μια μικρότερη, φθηνότερη έκδοση μιας μηχανής τύπου ITER. “Δύο χρόνια μετά, θα έχουμε κάνει αυτόν τον μαγνήτη”, λέει.
Το επόμενο βήμα της CFS θα είναι η κατασκευή μιας μηχανής επίδειξης που θα ονομάζεται Sparc που θα χρησιμοποιεί την νέα τεχνολογία μαγνητών. Το Sparc θα είναι περίπου 12 πόδια ψηλό και θα μπορούσε να χωρέσει σε μισό γήπεδο τένις. Η κατασκευή αναμένεται να ξεκινήσει το 2021 και να τελειώσει το 2025. Αναμένεται να ακολουθήσει μια εμπορική έκδοση, που ονομάζεται Arc . Θα ήταν περίπου διπλάσιος, τοποθετώντας το σε γήπεδο μπάσκετ.
Το tokamak της CFS θα κάψει καύσιμο DT, πράγμα που σημαίνει ότι θα αντιμετωπίσει το πρόβλημα του πρώτου τοίχου. Η λύση, λέει ο Mumgaard, είναι να «οικοδομήσουμε μια μηχανή έτσι ώστε να μπορείτε να αντικαταστήσετε τον τοίχο πολύ εύκολα». Αντικαταστήστε το συχνά αρκετά, λέει, και δεν θα πάρει πολύ ραδιενεργό και θα μπορούσε να αποθηκευτεί και να ανακυκλωθεί. “Μπορείτε να επιλέξετε τι βάζετε γύρω από το μηχάνημα”, λέει. “Αυτή τη στιγμή μπορούμε να πάμε με τα πράγματα που είναι φθηνά και εύκολα. Και ναι, ενεργοποιείται. Αλλά στο μέλλον μπορούμε να βάλουμε πράγματα που διαρκούν περισσότερο. “Μία πιθανή λύση θα ήταν να χρησιμοποιηθούν εξειδικευμένα κράματα που είναι πιο ανθεκτικά στο να γίνουν ραδιενεργά, αν και η βιομηχανία εξακολουθεί να εργάζεται για την ανάπτυξη τέτοιων υλικών.
Το ραδιενεργό υλικό από τους αντιδραστήρες σύντηξης είναι δραστικά διαφορετικό από τα απόβλητα σχάσης, προσθέτει ο Mumgaard. “Δεν είναι ουσιαστικά πράγματα που είναι βιολογικά ενεργά”, λέει, σε αντίθεση με τα πτητικά αέρια που μπορούν να διαφύγουν σε ένα ατύχημα σχάσης. “Έτσι είναι σαν μια εντελώς διαφορετική κατηγορία. Είτε μπορούμε ή όχι να το εξηγήσουμε καλά στο κοινό, ξέρετε, είναι μια από τις προκλήσεις που πρέπει να καταλάβουμε στη σύντηξη “.
Ακόμα, ο Mumgaard είναι αισιόδοξος. “Η σύντηξη είναι μια μεγάλη προσπάθεια και υπάρχει πολύς ενθουσιασμός γύρω της”, λέει, προσθέτοντας ότι ο ενθουσιασμός προέρχεται από ενεργειακούς ανθρώπους, επενδυτές και ακαδημαϊκούς. “Προσπαθούμε να γεννήσουμε μια βιομηχανία εδώ. Και είναι ένα διασκεδαστικό μέρος. ”
Γενική Fusion , Burnaby, BC
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Ανάπτυξη μηχάνημα σύντηξης με μαγνητισμένο στόχο, στο οποίο το πλάσμα εγχέεται μέσα σε μια κοιλότητα που περιβάλλεται από περιστρεφόμενο τετηγμένο μέταλλο και στη συνέχεια συμπιέζεται από συγχρονισμένα έμβολα για τη δημιουργία σύντηξης.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ: Περισσότερα από 100 εκατομμύρια δολάρια
ΕΠΕΝΔΥΤΕΣ: Bezos Expeditions, Chrysalix Venture Capital, Khazanah Nasional και άλλοι
Η General Fusion, έξω από το Βανκούβερ, λαμβάνει μια διαφορετική προσέγγιση για την κατασκευή ενός αντιδραστήρα. Η εταιρεία, που ιδρύθηκε το 2002 από τον φυσικό του πλάσματος Michel Laberge , χάρισε τη σχεδίαση του 1970 από το Αμερικανικό Ναυτικό Εργαστήριο. Ονομάζεται Linus, το σχέδιο περιελάμβανε χαρακτηριστικά που ενέπνευσαν την έννοια της General Fusion. “Είναι βασικά το ισοδύναμο σύντηξης ενός κινητήρα ντίζελ”, λέει ο Mowry. Η μηχανή της General Fusion αντιμετωπίζει το πρόβλημα του πρώτου τοίχου αντιμετωπίζοντας το πλάσμα με περιστρεφόμενο τετηγμένο μόλυβδο και λίθιο, το οποίο απορροφά τα νετρόνια. “Εγχύουμε το πλάσμα σε μια σφαιρική κοιλότητα κατασκευασμένη από υγρό μέταλλο και έπειτα έχουμε ουσιαστικά μια σειρά από έμβολα που συγχρονίζονται για να καταρρέουν αυτή η κοιλότητα πολύ γρήγορα γύρω από το πλάσμα και να την θέρουν μέχρι να καεί – αναλογία ενός κινητήρα ντίζελ “, λέει.
Τα σημερινά ηλεκτρονικά χειριστήρια υψηλής ταχύτητας έκαναν δυνατή τη συγχρονισμό των εμβόλων με ακρίβεια που ήταν αδύνατη στη δεκαετία του ’70, σύμφωνα με τον Mowry. “Αυτό είναι ένα παράδειγμα αυτού που ονομάζουμε τεχνολογίες γενικής χρήσης”, λέει. Η εταιρεία ετοιμάζεται να κατασκευάσει μια κλίμακα επίδειξης μοντέλου που επιδιώκει να ολοκληρώσει το 2025.
“Ο χρόνος της Fusion έρχεται τώρα πραγματικά”, λέει ο Mowry. Πριν από την προσχώρησή του στη General Fusion, εργάστηκε στην ενεργειακή βιομηχανία για 30 χρόνια, συμπεριλαμβανομένης της ίδρυσης μιας εταιρείας που σχεδίασε τους λεγόμενους μικρούς αρθρωτούς αντιδραστήρες για την ενέργεια σχάσης. Τώρα, λέει, η σύντηξη γίνεται ανταγωνιστική με την σχάση. “Όταν εξετάζετε τα ρεαλιστικά χρονικά πλαίσια για την εμπορία προηγμένων τεχνολογιών σχάσης gen-four, δεν είναι μικρότερη από το χρονικό αυτό πλαίσιο για την εμπορία της σύντηξης αυτές τις μέρες”, λέει.
TAE Technologies Inc., Foothill Ranch, Calif.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Ανάπτυξη μηχανοκίνητης μηχανής ρύθμισης παραμέτρων με δέσμη που εκτοξεύει δύο πλάκες μεταξύ τους σε ένα δοχείο περιορισμού έτσι ώστε το μαγνητικό τους πεδίο να τις συγκρατεί ενώ θερμαίνεται από δέσμες σωματιδίων.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ: Περισσότερα από 600 εκατομμύρια δολάρια
ΕΠΕΝΔΥΤΕΣ: Goldman Sachs Group, Vulcan Capital, Venrock και άλλοι
Η TAE Technologies, που ξεκίνησε το 1998, είναι η παλαιότερη εταιρεία στον τομέα. Ο πρόσφατος φυσικός του πλάσματος Norman Rostoker , ο οποίος ίδρυσε την εταιρεία, πήρε μακρά άποψη, λέει ο διευθύνων σύμβουλος Binderbauer. Αρχικά, ο Ροστόκερ ρώτησε ποιο καύσιμο θα ήταν πιο πιθανό να δώσει τη δυνατότητα σε μια βιώσιμη μονάδα παραγωγής ενέργειας από σύντηξη – αντί για το πιο εύκολο. Επιλέγει το υδρογόνο και ένα ισότοπο βορίου, γνωστό ως βόριο-11, επειδή δεν παράγουν ακτινοβολία κατά τη σύντηξη και είναι άμεσα διαθέσιμα.
Το πιάσιμο? Πρέπει να μαγειρέψετε το καύσιμο βορίου-11 σε θερμοκρασίες δισεκατομμυρίων μοιρών. Αυτός είναι ο δρόμος που ακολουθεί η TAE. Αυτές οι θερμοκρασίες έχουν ήδη επιτευχθεί στα πειράματα φυσικής σωματιδίων, σύμφωνα με τον Binderbauer. «Όταν μιλάμε για τη θερμοκρασία, τι είναι πραγματικά, είναι το είδος πόσο γρήγορα και με ποια ενέργεια είναι αυτά τα σωματίδια φούσκωμα γύρω και συγκρούονται μεταξύ τους», λέει. Σκεφτείτε το Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων κοντά στη Γενεύη και μετατρέψτε τα πειράματα εκεί σε μονάδες θερμοκρασίας, λέει ο Binderbauer. “Το CERN έχει δημιουργήσει καταστάσεις τρισεκατομμυρίων βαθμών, όπου ένας χειριστής θα το ελέγξει, θα βάλει αυτά τα σωματίδια σε αυτούς τους δακτυλίους αποθήκευσης και θα τρέξει εκεί”, λέει.
Η τρέχουσα μηχανή της TAE, η οποία επιταχύνει δύο πλάσματα μεταξύ τους σε ένα δοχείο περιορισμού και τα θερμαίνει με δέσμες σωματιδίων, ονομάζεται Norman. Λειτουργεί γύρω στα 35 εκατομμύρια C. Η επόμενη συσκευή της εταιρείας, που ονομάζεται Copernicus, στοχεύει σε 100 εκατομμύρια C.
Όπως και οι άλλοι φεγγίτες, η προσπάθεια να αξιοποιηθεί η σύντηξη ήταν τόσο εμπνευσμένη όσο και απογοητευτική. Η γραμμή τερματισμού μπορεί να διαρκέσει ακόμα χρόνια, αλλά οι ανακαλύψεις κατά μήκος του δρόμου ήταν αρκετές για να συνεχίσουν να προσελκύουν επιστήμονες – και, πιο πρόσφατα, επενδυτές.
Και η σύντηξη θα μπορούσε να έχει μια σημαντική θέση στο μελλοντικό ενεργειακό μείγμα. “Τα στατιστικά στοιχεία θα σας ενημερώσουν ότι τα επόμενα 25 χρόνια θα διπλασιάσουμε την ποσότητα ηλεκτρικής ζήτησης και κατανάλωσης”, λέει ο Binderbauer. “Για μένα, η εξεύρεση βασικής ισχύος που αποσυνδέεται από την ανάγκη να καίνε ορυκτά καύσιμα είναι πολύ, πολύ κρίσιμη”.
Η δυνητική αγορά είναι τεράστια και απαιτεί επένδυση ύψους 10 τρισεκατομμυρίων δολαρίων ή και περισσότερο για την παραγωγή εξοπλισμού μέχρι το 2050. “Μπορείτε να δημιουργήσετε πολλές εταιρείες πολύ υψηλής αξίας σε μια αγορά όπως αυτή”, λέει. “Και δεν θα κάνουμε ούτε βήμα στα δάχτυλα του άλλου.”
Ο Asmundsson είναι ο εκδότης του Go της Bloomberg Markets και ο Wade καλύπτει την ενέργεια για το Bloomberg News στη Νέα Υόρκη.
πηγή: Bloomberg