Национальная лаборатория открыла ядерный синтез — настоящий прорыв, новинка или и то, и другое?

NЯдерный синтез долгое время был Святым Граалем действительно чистой энергии. Столкновение атомов водорода обещает безграничное электричество с нулевым выбросом углерода, минимум радиоактивных отходов и нулевой шанс катастрофического расплавления. Но в течение полувека ученые, занимающиеся термоядерным синтезом, были ограничены мощностью своих лазеров и силой своих магнитных полей — никогда прежде не выясняли, как выжать больше энергии из своего атомного разрушения, чем они вложили. До сих пор.

Сегодня ученые в Национальное средство зажигания на Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (LLNL) в Калифорнии покажет, что в начале декабря им впервые удалось добиться прироста энергии более 1, то есть больше энергии было выделено в результате реакций внутри их дейтериево-тритиевой топливной капсулы (2,000 мегаджоулей). чем содержалось в 192 лазера что они взорвали его с.

Это большое дело, которое стоит отметить, но в какой-то мере предрешенное решение, говорит Дебра Каллахан, физик плазмы, недавно покинувшая команду LLNL по термоядерному синтезу, чтобы стать научным директором стартапа. Сфокусированная энергия, которая уже работает над коммерциализацией подхода.

Каллахан знал, что LLNL добьется чистого прироста энергии после того, как в прошлом году они достигли выходной энергии в 72% от входной энергии лазера. «Для меня это не сюрприз. Учитывая пути результатов, которые мы видели, это должно было случиться», — говорит она. Им просто нужно было чуть больше мощности лазера. Итак, как это работает? Представьте себе небольшой полый цилиндр из золота, который умещается на ладони. Это называется Hohlraum. Внутри хольраума находится крошечная топливная капсула, внутри которой находятся атомы дейтерия и трития.

Они используют золото, потому что оно удерживает рентгеновские лучи, которые производятся, когда они взрывают любой конец хольраума 173 самыми мощными в мире лазерами. Каллахан говорит: «Это похоже на рентгеновскую печь», которая сжимает топливо так сильно, что оно взрывается и воспламеняет синтез атомов в центре капсулы. Затем синтез распространяется волной от центра, излучая огромное количество тепла. Все это происходит за миллиардные доли секунды.

Почему Каллахан покинул LLNL, когда они были на пороге успеха? Потому что, говорит она, Национальная установка зажигания — это не термоядерная машина. Холраум отлично подходит для демонстрации воспламенения, но он не обязательно достаточно эффективен для разработки непрерывного импульсного синтеза, потому что так много остаточной лазерной энергии теряется при нагреве золота, а не водородного топлива. Итак, в Focused Energy (при поддержке Лаборатория первопроходцев и New Enterprise Associates ) их план состоит в том, чтобы отказаться от хольраума и вместо этого использовать подход «прямого привода» — направить лазеры прямо на топливную капсулу (см. схему).

Они еще не продемонстрировали, что это работает, но Каллахан уверен, что через пару лет их пилотный проект позволит достичь 10-кратного прироста энергии. За этим последует второй завод, достигший 30-кратного увеличения мощности, а затем то, что в конце 2030-х годов станет их первым коммерческим генератором, который, как мы надеемся, достигнет 100-кратного увеличения энергии и будет взрывать 10 топливных капсул каждую секунду.

Но в этом заключалась особая проблема. При скорости 10 в секунду их машина будет использовать почти 900,000 XNUMX капсул в день. Это не то же самое, что закидывать уголь в топку; каждая капсула должна быть изготовлена ​​в соответствии со строгими стандартами и вброшена в машину в идеальное время.

Это реалистично? Некоторые конкуренты Fusion так не думают. General Fusion — канадская термоядерная компания из Ванкувера, которая вчера объявила о своей важной вехе. Его подход называется синтезом намагниченных мишеней и включает в себя машину, в которой они вводят шар водородной плазмы в машину и используют мощные магниты для удержания его при сжатии с помощью механических поршней, а не лазеров. Генеральный директор Грег Твинни ожидает, что пилотный завод, который General Fusion строит в Великобритании, продемонстрирует термоядерный синтез в 2027 году, а коммерческий проект будет готов в начале 2030-х годов. «Когда мы видим такие новости, мы не удивляемся, — говорит он. Но подход LLNL нельзя экстраполировать на действующий термоядерный завод, как это делает General Fusion (поддерживаемый 300 миллионами долларов от Джеффа Безоса, ShopifyМАГАЗИН
Генеральный директор Тобиас Лютке и Темасек, среди прочих) намеревались сделать это с самого начала. «Все, что мы делаем, сосредоточено на коммерческой электростанции, — говорит он. «Если это работает в научном эксперименте, но не является коммерческим, нас это не интересует».

Новость LLNL вызвала аналогичную реакцию генерального директора стартапа в Сиэтле Дэвида Киртли. Гелион, при поддержке технологических магнатов Питера Тиля, Сэма Альтмана, Дастина Московица, Рида Хоффмана и Джеффа Сколл на 600 миллионов долларов. «Мы рады, что они достигли своих научных вех в своей машине», — говорит Киртли. Но он не чувствует угрозы со стороны «исследовательского устройства, не предназначенного для производства электричества». Напротив, работа 60-футовой термоядерной машины Гелиона включает введение плазменных шаров с каждого конца, сталкивающих их вместе в реакции на 100 миллионов градусов, контролируемой интенсивными магнитными полями. В новой системе Helion энергия, высвобождаемая в реакциях синтеза, постоянно выталкивается против магнитного удерживающего поля, которое отталкивает назад, вызывая колебания «как поршень», говорит Киртли, которые генерируют электрический ток, который Helion захватывает непосредственно из реактора. (Подробнее читайте в Закон индукции Фарадея.)

Helion строит свой седьмой прототип и проектирует восьмой, который, как надеется Киртли, станет первым коммерческим термоядерным генератором, который, возможно, будет подключен к энергосистеме к концу этого десятилетия, если все пойдет правильно. Он говорит, что федеральные ядерные регуляторы, похоже, готовы подчинять свои машины тем же правилам, что и ускорители частиц и машины для обработки изображений, используемые в больницах.

И есть множество других компаний, использующих наиболее устоявшийся подход к термоядерному синтезу. токамак концепция, в которой шары плазмы вводятся в камеру реактора в форме полого пончика, управляемого мощными магнитными полями. Слияние Содружества, дочерняя компания Массачусетского технологического института, стремится усовершенствовать токамак с использованием сверхвысокотемпературных сверхпроводящих материалов, которые, по мнению генерального директора Боба Мамгаарда, позволят им получить работающее термоядерное устройство к концу десятилетия. То же самое касается компании General Atomics из Сан-Диего (наиболее известной за изобретение дрона Predator), которая десятилетиями эксплуатирует токамак для Министерства энергетики и разрабатывает новую машину. GA также построила, возможно, самый мощный в мире магнит, называемый центральным соленоидом, для крупнейшего в мире термоядерного проекта из всех, 30 миллиардов долларов ИТЭР строятся во Франции. Если другие стартапы в области термоядерного синтеза добьются своего, ИТЭР устареет еще до того, как будет завершен в следующем десятилетии. Распространяя свои ставки, GA (принадлежащая миллиардеру Нилу Блю) сотрудничает с Национальной лабораторией Саванна-Ривер для производства топливных таблеток для лазерных термоядерных установок, таких как LLNR и Focused Energy.

С кем бы вы ни говорили в области термоядерного синтеза, их критика давно существующих ядерных реакторов деления одинакова. Реакции деления (в которых распадаются большие атомы обогащенного урана) приводят к образованию радиоактивных отходов, включая плутоний и опасные актиноиды, которые можно использовать в качестве оружия. В отличие от термоядерного синтеза, который трудно начать и легко остановить, реакции деления легко начать и трудно остановить, что создает риск катастрофических расплавов. Более новые конструкции, такие как Вестингауз AP1000 Реактор деления, строящийся как в США, так и в Китае, имеет меры пассивной безопасности и практически не расплавляется.

Некоторые атомные предприниматели считают, что деления достаточно. Брет Кугельмасс, основатель и генеральный директор Последняя энергия, которая пять лет назад приступила к разработке самого эффективного и экономичного ядерного реактора в мире. Прежде чем остановиться на своем подходе, Кугельмасс, которому сейчас 36 лет, провел интервью с сотнями экспертов по ядерной Титаны ядерного подкаста), чтобы почерпнуть коллективный разум отрасли. Хотя он верит в долгосрочное будущее термоядерного синтеза, Кугельмасс решил, что лучший в мире вариант для отказа от ископаемого топлива заключается в строительстве модульных ядерных реакторов самым простым, дешевым и безопасным способом. На своем заводе недалеко от Хьюстона Last Energy в настоящее время производит свои первые небольшие модульные водо-водяные реакторы, в которых используются стандартные компоненты, полученные из существующих цепочек ядерных поставок, с использованием технологии, которая совершенствовалась десятилетиями и используется в более более 300 реакторов по всему миру.

Last Energy уже продала 10 своих 20-мегаваттных блоков покупателю в Польше, еще два — в Румынию и несколько — в Великобританию. Кугельмасс говорит, что его интеллектуальная собственность заключается не в проверенных компонентах, а в том, как соединить их все вместе. На данный момент он собрал 24 миллиона долларов во главе с Гигафонд, и ожидает, что первые реакторы в Польше будут запущены в 2025 году. Для финансирования машин Last Energy заключает долгосрочные соглашения о покупке электроэнергии, обещая клиентам десятилетия безуглеродной ядерной энергии по ценам ниже рыночных. «Мы смогли занять желанную нишу, которую никто не искал», — говорит Кугельмасс. «Мы замаскировали всю операцию».

Каким бы заманчивым ни было обещание термоядерного синтеза, если Кугельмасс добьется своего, конкурентные реалии устоявшегося, надежного ядерного деления могут все же отправить его модного нового кузена на свалку героических технологических провалов — помните Betamax, Google Glass и New Coke?

БОЛЬШЕ ОТ FORBESЯдерный синтез, подпитываемый миллиардными долларами, вступает в новую эруBy Кристофер ХелманБОЛЬШЕ ОТ FORBESНовая атомная энергия: как единорог за $ 600 млн планирует превзойти солнечнуюBy Кристофер ХелманБОЛЬШЕ ОТ FORBESТихие миллиардеры за американским беспилотником-хищником, убившим иранского СулейманиBy Дениз Чам