Predvodnici u trilijun dolara vrijednoj utrci za neograničenu snagu fuzije

Nuklearna industrija ponovno cvjeta. I s ozbiljnom hrpom privatnog i javnog financiranja iza sebe, ove tvrtke kažu da su sve bliže fuziji.

  Predvodnici u trilijun dolara vrijednoj utrci za neograničenu snagu fuzije
Tehničari rade na konstrukciji magnetskog sustava koji će pomoći u ograničavanju i modeliranju plazme u tokamaku međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER) koji financira vlada u Saint-Paul-les-Duranceu, jugoistočna Francuska, 28. srpnja 2020. Prošle godine , privatna ulaganja u fuziju premašila su državna sredstva po prvi put. [Fotografija: CLEMENT MAHOUDEAU/AFP preko Getty Images]

Nuklearna energija ponovno cvjeta.



Uz cijene energije u usponu , zajedno sa zahtjevima za energetskom neovisnošću i hitnom potrebom za energijom bez ugljika, planovi za odustajanje od nuklearne energije sada se revidiraju u Japanu, Južnoj Koreji, pa čak i Njemačkoj. Prošli mjesec Europa je objavila zelene obveznice za nuklearne , a SAD će, zahvaljujući Zakonu o smanjenju inflacije, uskoro potrošiti milijune novi nuklearni dizajn , poticaje za nuklearnu proizvodnju i domaće rudarstvo urana te, nakon godina nedostatka sredstava, novac za fuziju.

Novo ulaganje dolazi jer je fuzija - koja se dugo smatrala pustim snom - privukla pravi novac velikog rizičnog kapitala i velikih kompanija, koje se sve više klade da će bogata, jeftina i čista nuklearna industrija biti industrija vrijedna više trilijuna dolara. Prošle su godine investitori poput Billa Gatesa i Jeffa Bezosa uložili rekordnih 3,4 milijarde dolara u tvrtke koje rade na tehnologiji, prema Pitchbooku. Jedna tvrtka za fuziju, Helion sa sjedištem u Seattleu, podigla je rekordnih 500 milijuna dolara od Sama Altmana i Petera Thiela. Taj je novac svakako pojačao nuklearni sektor: Udruga industrije fuzije kaže da najmanje 33 različite tvrtke sada slijede nuklearnu fuziju i predviđaju da će fuzija biti povezana s energetskom mrežom negdje u 2030-ima.



Ovo ste vjerojatno već čuli. Uobičajena šala je da je ekonomično iskorištavanje fuzijske snage, što rade zvijezde ili hidrogenske bombe udaljen oko 30 godina . Ono što nije šala jest da imamo oko nula godina da prestanemo opskrbljivati ​​našu civilizaciju energijom koja zagrijava Zemlju. Izazov s fuzijom je postići neto dobitak energije, pri čemu energija proizvedena reakcijom fuzije premašuje energiju korištenu za njezino stvaranje. Jedna prekretnica došla je tiho ovog mjeseca, kada je tim istraživača u National Ignition Facility u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore u Kaliforniji najavio da je prošlogodišnji eksperiment dao više od 1,3 megadžula (MJ) energije, postavljajući novi svjetski rekord u prinosu energije za eksperiment nuklearne fuzije. Eksperiment je također postigao znanstveno paljenje po prvi put u povijesti: nakon primjene dovoljno topline pomoću arsenala lasera, plazma se počela samozagrijavati. (Istraživači od tada pokušavaju ponoviti rezultat, za sada bez uspjeha.)



I bilo bi vam oprošteno što ste propustili još jednu prekretnicu u srpnju, kada je Odjel za energetiku najavio nagrade u iznosu između 50.000 i 500.000 USD za deset tvrtki za fuziju koje rade na projektima sa sveučilištima i nacionalnim laboratorijima. Evo nekoliko nagrađeni , čiji projekti nude uzorke prilika—i teških problema—u fuziji.

Commonwealth Fusion Systems

U rastućem kampusu sat vremena izvan Bostona, MIT spinoff Commonwealth Fusion Systems gradi svoj prvi stroj, SPARC, s ciljem proizvodnje energije do 2025. 'Pritisnut ćete gumb', rekao je CEO i suosnivač Bob Mumgaard Khosli Pothvati Sastanak izvršnih direktora ovog ljeta, “i po prvi put na zemlji proizvest ćete više energije nego što je potrebno iz fuzijske plazme. To je oko 200 milijuna stupnjeva - znate, iz rashladnih tornjeva će izaći hrpa pare - i pustite prst s gumba i zaustavit će se, a vi ponovno pritisnete gumb i otići će.' S eksplozijom financiranja od strane investitora, uključujući Khoslu, Billa Gatesa, Georgea Sorosa, Emerson Collective i Google da spomenemo samo neke - prikupili su 1,8 milijardi dolara samo prošle godine - CFS se nada da će početi raditi s prototipom 2025. godine.

kako zaustaviti negativan razgovor o sebi

Zamislite fuzijski reaktor kao kotao, u kojem plazma unutar tokamaka reaktora proizvodi toplinu od 650 stupnjeva u obliku pokretne tekućine - u slučaju Commonwealtha to je rastaljena sol, ali to može biti para ili helij visoke temperature - koji ulazi u izmjenjivač topline, stvarajući paru koja na kraju pokreće turbinu. Osim što u ovom slučaju toplina u kotlu nije nastala izgaranjem ugljika u CO2, već fuzijom vodika u helij.



Kao onaj star tri desetljeća ITER projekt u Francuskoj, predviđen za rad 2025., Commonwealth i mnoge druge tvrtke pokušat će postići neto dobitak energije pomoću stroja zvanog tokamak , uređaj u obliku bagela ispunjen supervrućom plazmom, zagrijanom na oko 150 milijuna stupnjeva, unutar koje se atomi vodika mogu spajati i oslobađati energiju. Da biste kontrolirali tu vruću plazmu, trebate izgraditi vrlo snažno magnetsko polje. Proboj Commonwealtha bila je vrpca - točnije, visokotemperaturna supravodljiva čelična vrpca presvučena spojem koji se zove itrij-barij-bakar oksid. Kada je 2009. prototip prvi put postao komercijalno dostupan, Dennis Whyte, direktor MIT-ovog Centra za znanost i fuziju plazme, naručio je koliko je mogao. S Mumgaardom i timom studenata, njegov je laboratorij koristio zavojnice te stvari za izgradnju nove vrste supravodljivog magneta i prototipa reaktora nazvanog ARC, prema izvoru energije Tonyja Starka. Commonwealth je rođen 2015.



Jednog jutra prošlog prosinca tvrtka je pokrenula svoj najnoviji supermagnet—10 tona težak i 8 stopa visok uređaj napravljen od stotina čvrsto upredenih zavojnica—i tiho gurnula svoje magnetsko polje više od nevjerojatnih 20 tesla, što je rekord za magnet te veličine. (Većina magnetskih rezonanca radi na snazi ​​od oko 1 tesla .) Na kraju će 18 od ovih magneta okružiti SPARC-ov tokamak, za koji CFS kaže da bi mogao proizvesti čak 11 puta više energije nego što troši, i to po cijenama nižim od fosilnih goriva. Mumgaard procjenjuje da će svijet trebati nešto zamijeniti 60 000 svjetskih elektrana koje emitiraju ugljik, a koje čine oko polovicu globalne potrošnje energije. Deset tisuća fuzijskih postrojenja bi to učinilo.

'Uzbudljivi dio ove tehnologije je da smanjenjem razmjera i zadržavanjem snage istom, proizvodimo više 'snage po stvarima', što je čini mnogo vjerojatnijim da bude ekonomski konkurentna,' Mumgaard ispričao Brza tvrtka u 2018 . 'Vrste materijala koji su u ovome su materijali koji su roba, a ako zbrojite te materijale, dobit ćete trošak električne energije koji snižava postojeće cijene energije.'

cijena reklama tijekom superbowla

TAE Technologies

TAE Technologies sa sjedištem u južnoj Kaliforniji prikupio je nevjerojatnih 1,2 milijarde dolara otkako je osnovan 1998., a 250 milijuna dolara u posljednjem krugu. Krug, najavljen u srpnju, vodili su Chevronov venture ogranak, Google, i Sumitomo, holding kompanija sa sjedištem u Tokiju koja ima za cilj implementaciju fuzijske energije na azijsko-pacifičkom tržištu. TAE-ov pristup, koji uključuje stvaranje reakcije fuzije pri nevjerojatno visokoj toplini, ima ključnu prednost. Dok ITER koristi vodikove izotope deuterij i tricij, iznimno rijedak element koji se mora posebno stvoriti od litija—i koji kao nusproizvod proizvodi neutrone bez radioaktivnosti—linearni reaktor TAE-a potpuno je neradioaktivan jer se oslanja na vodik i bor, dva obilna elementa koji se pojavljuju u prirodi koji reagiraju tako da proizvode samo helij.

Problem je što su za to potrebne temperature reda veličine jedne milijarde Celzijevih stupnjeva. (Usporedbe radi, ITER zahtijeva samo temperaturu od 150 milijuna Celzijevih stupnjeva. Sunčeva jezgra, njen najtopliji dio, može biti vruća čak 15 milijuna Celzijevih stupnjeva.) TAE kaže da je njegov trenutni testni reaktor uspio održati plazmu stabilnom na 75 milijuna stupnjeva Celzijusa, ili 167 milijuna Fahrenheita - više nego dvostruko više od početnog cilja. Sa svojim strojem veličine dvokatnog autobusa, za koji kaže da trenutačno košta više od 250 milijuna dolara za izgradnju, tvrtka ima za cilj izgraditi još veći stroj, Copernicus, za obavljanje testa pri dvostrukoj toplini. Kažu da planiraju početi isporučivati ​​energiju mrežama do 2030., nakon čega slijedi 'šira komercijalizacija' tijekom sljedećeg desetljeća.

General Atomics

General Atomics iz San Diega u Kaliforniji ima najveći tokamak u SAD-u, njegovu snažnu magnetsku komoru, zvanu DIII-D Nacionalno postrojenje za fuziju , ili samo 'D-tri-D', sada ima prekidač za preokret toroidalnog polja, koji omogućuje preusmjeravanje 120.000 ampera struje koja napaja primarno magnetsko polje. To je jedini tokamak na svijetu koji istraživačima omogućuje promjenu smjera magnetskog polja u minutama umjesto satima. Još jedna nova nadogradnja, antena putujućeg vala, omogućuje fizičarima ubrizgavanje 'helikon' radiovalovi velike snage u DIII-D plazmu pa se reakcije fuzije odvijaju mnogo snažnije i učinkovitije.

'Imamo nove alate za fleksibilnost i nove alate koji nam pomažu da shvatimo kako da ta fuzijska plazma nastavi s radom', Richard Buttery, direktor projekta, rekao je San Diego Union-Tribune u siječnju . Tvrtka također stoji iza osam magnetskih modula u središtu postrojenja ITER, uključujući i njegov divlji središnji solenoid — najjači magnet na svijetu — u svojevrsnoj smanjenoj verziji kalifornijskog stroja.

Ali kao i mnogo drugih u fuziji, ITER je bio ometen prekoračenjem troškova i kašnjenjima, s 'prvom plazmom' ne očekuje se da će se dogoditi 2025 kao što se ranije očekivalo zbog globalnih poremećaja povezanih s pandemijom. Neki su se žalili da je novac koji ide za ITER odvratio pozornost od drugih praktičnijih energetskih projekata—posljednja cijena je 22 milijarde dolara a drugi sumnjaju ako projekt ikada može proizvesti neto energetski dobitak.

Opća fuzija

Sa sjedištem u Kanadi, General Fusion podupire Jeff Bezos i temelji se na tehnologiji koju je izvorno razvila američka mornarica, a istražili ruski znanstvenici za potencijalnu upotrebu u oružju. Unutar stroja rastaljeni metal se vrti kako bi se stvorila šupljina i pumpa pomoću klipova koji guraju metal prema unutra kako bi se stvorila kugla. Vodik, zagrijan na super visoke temperature i zadržan na mjestu pomoću magnetskog polja, ispunjava sferu i stvara reakciju. Toplina prenesena na metal može se pretvoriti u paru za pogon turbine i proizvodnju električne energije. Kao CEO Christofer Moery ispričao Brza tvrtka prošle godine , 'ponovno stvoriti komadić sunca na Zemlji, kao što možete zamisliti, vrlo je, vrlo izazovno.' Kao i mnoge druge tvrtke za fuziju, GF ovisi o modernim superračunalima i naprednim tehnikama modeliranja i računanja za razumijevanje znanosti fizike plazme, kao i modernih proizvodnih tehnologija i materijala.

'To je doista otvorilo vrata ne samo mogućnosti funkcioniranja fuzije, već i omogućavanju da funkcionira na praktičan način', kaže on. To je bilo teško izvesti, ali s demonstracijskim centrom koji je otvoren prošle godine u blizini Oxforda, GF ne namjerava proizvoditi električnu energiju, već prikupiti podatke potrebne za kasniju izgradnju komercijalnog pilot postrojenja koje bi moglo—i pobuditi više interesa za fuzija.

“Dio onoga što želimo učiniti s ovim demonstracijskim postrojenjem jest obećanje fuzije učiniti nečim što je više u svijesti javnosti i u svijesti kreatora politike, tako da dok planiraju kako izgledaju budući energetski sustavi, razmatraju kako uključite fuziju u to,” rekao je Mowry. 'Zato što će doći brže nego što ljudi shvate.'

Princeton Fusion Systems

Princeton Fusion Systems iz Plainsboroa, New Jersey, mala je tvrtka usmjerena na razvoj malih, čistih fuzionih reaktora za zemaljsku i svemirsku primjenu. Spinoff od Princeton Satellite Systems , koja je specijalizirana za upravljanje svemirskim letjelicama, reaktor tvrtke Princeton FRC izgrađen je na temelju 15 godina istraživanja u Laboratoriju za fiziku plazme Princeton, financiranog prvenstveno od strane američkog DOE-a i NASA-e, a dizajniran je da na kraju osigura između 1 i 10 megavata snage u isključenom stanju. -mrežne lokacije i modularne elektrane, 'od daljinskih industrijskih aplikacija do hitnog napajanja nakon prirodnih katastrofa do baza izvan svijeta na Mjesecu ili Marsu.' Koncept koristi radiofrekventna elektromagnetska polja za stvaranje i održavanje formacije plazme koja se naziva Field-Reversed Configuration (FRC) unutar jake magnetske boce. Eksperiment na Princetonu drži rekord za najduže stabilno trajanje takve reakcije - 300 ms. Princeton je privukao preko 2,5 milijuna dolara bespovratnih sredstava iz programa napredne tehnologije ARPA-E Ministarstva energetike.

Energija tokamaka

Tokamak Energy, tvrtka sa sjedištem u Ujedinjenom Kraljevstvu nazvana po popularnom uređaju za fuziju, objavila je u srpnju da je njen tokamak reaktor ST-40 dosegao prag od 100 milijuna Celzija za komercijalno održivu nuklearnu fuziju. Postignuće je omogućeno vlastitim dizajnom izgrađenim na sferičnom, umjesto krafni, obliku. To znači da su magneti bliže struji plazme, što omogućuje manjim i jeftinijim magnetima da stvaraju još jača magnetska polja. Tokamak Princeton Large Torus prvi je dosegao ovaj temperaturni prag 1978., ali Tokamak je prvi koji je to uspio sa sferičnim uređajem financiranim iz privatnih izvora. Tvrtka je prikupila gotovo 100 milijuna dolara od investitora uključujući Legal & General, uz bespovratna sredstva Ministarstva energetike.

jutarnji ljudi nasuprot noćnim ljudima

MIFTI

Magneto-Intertial Fusion Technologies, ili MIFTI, iz Tustina, Kalifornija, koji su osnovali istraživači sa kalifornijskog sveučilišta, Irvine, razvija reaktor koji koristi ono što je poznato kao Staged Z-Pinch pristup. Dizajn Z-Pinch zagrijava, ograničava i komprimira plazmu koristeći intenzivnu, pulsirajuću električnu struju za generiranje magnetskog polja koje bi moglo smanjiti nestabilnosti u plazmi, dopuštajući fuziji da traje duže vrijeme. Ali tek su nedavno MIFTI-jevi znanstvenici uspjeli prevladati probleme nestabilnosti, kaže tvrtka, zahvaljujući softveru koji im je na UC-Irvineu stavilo na raspolaganje američko ratno zrakoplovstvo. MIFTI predviđa energetski dobitak od deset do pedeset puta veći od energije korištene za njegovo stvaranje. Od svog pokretanja 2008. godine, tvrtka je prikupila 1,6 milijuna dolara rizičnog kapitala i primila nagradu od 4,5 milijuna dolara od programa ARPA-E Ministarstva energetike. Odvojeni istraživanje na Z-pinch komorama u Lawrenceu Livermore National Laboratory je 2017. pokrenuo još jedan startup za fuziju, Zap Energy sa sjedištem u Seattleu.

Helicity Space

Sa sjedištem u Pasadeni, Kalifornija, Helicity Space razvija pogonsku i energetsku tehnologiju temeljenu na specijaliziranom konceptu magnetne inercijalne fuzije. Čini se da sustav, nalik na ono što radi kolega inženjer fuzije, Helion iz Seattlea, koristi upletene kompresijske zavojnice, poput pletenog užeta, za postizanje poznatog fenomena zvanog Magnetic Helicity. (Pogledajte opis u ovoj prezentaciji .) Prema ZoomInfo i Linkedinu, Helicity ima više od 4 milijuna dolara financiranja i do 10 zaposlenika, a svi su usmjereni, kaže tvrtka, na “omogućavanje pristupa čovječanstva Sunčevom sustavu, uz let na Mars s pogonom Helicity Drivea koji bi trebao trajati dva mjeseca, bez planetarnog poravnanja.'