Nagbubukas ang National Lab ng Nuclear Fusion — True Breakthrough, Novelty Act, O Pareho?

NAng uclear fusion ay matagal nang naging Holy Grail ng tunay na malinis na enerhiya. Ang pagkakawatak-watak ng mga atomo ng hydrogen ay nangangako ng walang limitasyong kuryente na may zero carbon emissions, isang minimum na radioactive na basura at walang posibilidad na magkaroon ng sakuna. Ngunit sa loob ng kalahating siglong fusion scientist ay nalimitahan ng kapangyarihan ng kanilang mga laser at ng lakas ng kanilang mga magnetic field - hindi pa naisip kung paano maggagatas ng mas maraming enerhiya mula sa kanilang atom smashing kaysa sa inilagay nila. Hanggang ngayon.

Ngayon ang mga siyentipiko sa Pasilidad ng Pambansang Ignition sa Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sa California ay magbubunyag na sa unang bahagi ng Disyembre, sa unang pagkakataon, nagawa nilang makamit ang energy gain na higit sa 1 — ibig sabihin, mas maraming enerhiya ang nailabas mula sa mga reaksyon sa loob ng kanilang deuterium-tritium fuel capsule (2,000 megajoules) kaysa nakapaloob sa 192 laser na pinasabog nila ito.

Ito ay isang malaking bagay, nagkakahalaga ng pagdiriwang, ngunit medyo isang foregone na konklusyon, sabi ni Debra Callahan, isang plasma physicist na kamakailan ay umalis sa LLNL fusion team upang maging siyentipikong direktor sa startup Nakatuon na Enerhiya, na nagsusumikap na upang gawing komersyal ang diskarte.

Alam ni Callahan na makakamit ng LLNL ang netong pakinabang ng enerhiya pagkatapos ng nakaraang taon na naabot nila ang output ng enerhiya na 72% ng kanilang mga input ng enerhiya ng laser. “Hindi naman surpresa sa akin. Ibinigay ang landas ng mga resulta na aming nakita, ito ay mangyayari, "sabi niya. Kailangan lang nila ng kaunting lakas ng laser. Kaya paano ito gumagana? Isipin ang isang maliit na guwang na silindro na gawa sa ginto na kasya sa iyong palad. Yan ang tinatawag na hohlraum. Sa loob ng hohlraum napupunta ang isang maliit na kapsula ng gasolina sa loob kung saan ay mga deuterium at tritium atoms.

Gumagamit sila ng ginto dahil ito ay nagtataglay sa mga x-ray na ginawa kapag pinasabog nila ang magkabilang dulo ng hohlraum gamit ang 173 pinakamalakas na laser sa mundo. Sabi ni Callahan, "Ito ay parang x-ray oven," na pinipiga ang gasolina nang labis na pumuputok at nag-aapoy sa pagsasanib ng mga atomo sa gitna ng kapsula. Ang pagsasanib pagkatapos ay kumakalat sa isang alon mula sa gitna, na naglalabas ng matinding init. Ang lahat ng ito ay nangyayari sa isang bilyong bahagi ng isang segundo.

Bakit iniwan ni Callahan ang LLNL noong nasa tuktok na sila ng tagumpay? Dahil, sabi niya, ang National Ignition Facility ay hindi isang fusion machine. Ang hohlraum ay mahusay para sa pagpapakita ng pag-aapoy, ngunit ito ay hindi kinakailangang sapat na mahusay para sa engineering na tuloy-tuloy na pulsed fusion dahil napakaraming natitirang laser energy ang nawawala sa pag-init ng ginto kaysa sa hydrogen fuel. Kaya sa Focused Energy (backed by Prime Movers Lab at Mga Bagong Associate ng Enterprise) ang kanilang plano ay itapon ang hohlraum at sa halip ay gumamit ng isang "direktang pagmamaneho" na diskarte — sumasabog ang mga laser nang direkta sa isang kapsula ng gasolina (tingnan ang eskematiko).

Hindi pa nila naipapakita na gumagana ito, ngunit tiwala si Callahan na sa loob ng ilang taon ay makakamit ng kanilang pilot project ang 10x na pakinabang ng enerhiya. Iyon ay susundan ng pangalawang planta na umaabot sa 30x na pakinabang, na susundan ng kung ano sa katapusan ng 2030s ang kanilang unang komersyal na generator, sana ay makamit ang 100x na pakinabang ng enerhiya at sumasabog ng 10 fuel capsule bawat segundo.

Ngunit naroon ang isang partikular na hamon. Sa 10 bawat segundo, ang kanilang makina ay gagamit ng halos 900,000 kapsula bawat araw. Ito ay hindi tulad ng pag-shoveling ng karbon sa isang pugon; ang bawat kapsula ay kailangang gawin sa eksaktong mga pamantayan at i-shoot sa makina na may perpektong timing.

***

Makatotohanan ba iyon? Ang ilang mga fusion competitor ay hindi nag-iisip. Ang General Fusion ay isang kumpanya ng fusion na nakabase sa Vancouver, Canada na nag-anunsyo kahapon ng sarili nitong milestone. Ang diskarte nito ay tinatawag na magnetized target fusion at nagsasangkot ng isang makina kung saan nag-iiniksyon sila ng bola ng hydrogen plasma sa makina at gumagamit ng malalakas na magnet upang hawakan ito habang nagpi-compress gamit ang mga mekanikal na piston kaysa sa mga laser. Inaasahan ng CEO na si Greg Twinney na ang pilot plant na General Fusion ay itinatayo sa UK upang ipakita ang fusion sa 2027, na may handa na komersyal na disenyo sa unang bahagi ng 2030s. "Kapag nakakakita kami ng mga balitang tulad nito hindi kami nagulat," sabi niya. Ngunit ang diskarte ng LLNL ay hindi maaaring i-extrapolate sa isang gumaganang fusion plant, na kung saan ay kung ano ang General Fusion (sinusuportahan ng $300 milyon mula kay Jeff Bezos, ShopifyMAMILI
Ang CEO na si Tobias Lutke, at Temasek, bukod sa iba pa) ay nagtakdang gawin mula sa simula. "Lahat ng ginagawa namin ay nakatuon sa isang komersyal na planta ng kuryente," sabi niya. "Kung gumagana ito sa isang eksperimento sa agham ngunit hindi komersyal, hindi kami interesado doon."

Ang balita sa LLNL ay nakabuo ng katulad na tugon mula sa CEO na si David Kirtley ng Seattle-based fusion startup Helion, na sinusuportahan ng $600 milyon mula sa mga tech tycoon na sina Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman at Jeff Skoll. "Kami ay nasasabik na naabot nila ang kanilang mga milestone sa agham para sa kanilang makina," sabi ni Kirtley. Ngunit hindi siya nakaramdam ng banta ng "isang aparato sa pananaliksik na hindi idinisenyo upang gumawa ng kuryente." Sa kabaligtaran, ang pagpapatakbo ng 60-foot-long fusion machine ng Helion ay nagsasangkot ng pag-iniksyon ng mga bola ng plasma sa bawat dulo, na pinagsasama-sama ang mga ito sa isang 100 milyong degree na reaksyon na kinokontrol ng matinding magnetic field. Sa sistema ng nobela ng Helion, ang enerhiya na inilabas sa mga reaksyon ng pagsasanib ay patuloy na itinutulak palabas laban sa magnetic containment field nito, na nagtutulak pabalik — na nagiging sanhi ng mga oscillations "tulad ng piston," sabi ni Kirtley, na bumubuo ng electric current, na direktang nakukuha ni Helion mula sa reactor. (Para sa higit pa, basahin ang tungkol sa Batas ng induction ni Faraday.)

Binubuo ng Helion ang ika-7 prototype nito at idinisenyo ang ika-8 nito, na inaasahan ni Kirtley na magiging unang commercial fusion generator — posibleng konektado sa power grid sa pagtatapos ng dekada na ito, kung tama ang lahat. Sinabi niya na ang mga pederal na nuclear regulator ay mukhang nakatakdang isailalim ang kanilang makina sa parehong mga patakaran tulad ng mga particle accelerator at ang uri ng mga imaging machine na ginagamit sa mga ospital.

At mayroong maraming iba pang mga kumpanya na hinahabol ang pinaka-tinatag na diskarte sa pagsasanib - ang tokamak konsepto, kung saan ang mga bola ng plasma ay tinuturok sa isang reactor chamber na hugis guwang na donut, na kinokontrol ng malalakas na magnetic field. Commonwealth Fusion, isang spinoff ng MIT, ay naghahangad na gawing perpekto ang tokamak gamit ang napakataas na temperatura na superconducting na materyales na sa tingin ni CEO Bob Mumgaard ay magbibigay-daan sa kanila na magkaroon ng gumaganang fusion device sa pagtatapos ng dekada. Ganoon din para sa General Atomics na nakabase sa San Diego (pinakakilala para sa pag-imbento ng Predator drone), na nagpapatakbo ng tokamak para sa Department of Energy sa loob ng mga dekada at nagdidisenyo ng bagong makina. Ginawa rin ng GA ang pinakamakapangyarihang magnet sa mundo, na tinatawag na central solenoid, para sa pinakamalaking fusion project sa mundo sa lahat, ang $30 bilyon ITER under construction sa France. Kung ang iba pang mga fusion startup ay may paraan, ITER ay hindi na ginagamit bago pa man ito makumpleto sa susunod na dekada. Sa pagpapakalat ng mga taya nito, ang GA (pagmamay-ari ng bilyunaryo na si Neal Blue) ay may pakikipagtulungan sa Savannah River National Lab upang gumawa ng mga fuel pellet para sa mga laser-based fusion machine tulad ng LLNR at Focused Energy.

Kung sino man ang kausap mo sa larangan ng pagsasanib, ang kanilang mga kritisismo sa matagal nang itinatag na mga nuclear fission reactor ay pareho. Ang mga reaksyon ng fission (kung saan ang malalaking atom ng enriched uranium ay pinaghiwa-hiwalay) ay nagbubunga ng radioactive na basura kabilang ang plutonium at mga mapanganib na actinides na maaaring gawing armas. Hindi tulad ng pagsasanib, na mahirap simulan at madaling ihinto, ang mga reaksyon ng fission ay madaling simulan at mahirap ihinto, na nagpapakilala sa panganib ng mga sakuna na pagkasira. Mga bagong disenyo, tulad ng Westinghouse AP1000 Ang fission reactor, na ginagawa sa parehong US at China, ay nagtatampok ng mga passive na hakbang sa kaligtasan at halos matunaw na patunay.

***

Iniisip ng ilang mga atomic na negosyante na sapat na ang fission. Bret Kugelmass, tagapagtatag at CEO ng Huling Enerhiya, na itinakda limang taon na ang nakararaan upang bumuo ng pinakamabisa at matipid na nuclear reactor sa mundo. Bago tumira sa kanyang diskarte, si Kugelmass, ngayon ay 36, ay nakapanayam ng daan-daang mga eksperto sa industriya ng nukleyar (at inilagay ang mga pag-uusap sa kanyang Titans ng Nuclear podcast) upang mapulot ang kolektibong karunungan ng industriya. Bagama't naniniwala siya sa pangmatagalang hinaharap ng pagsasanib, natukoy ni Kugelmass na ang pinakamahusay na mapagpipilian sa mundo para sa paglipat palayo sa mga fossil fuel ay nasa pagbuo ng mga modular fission reactor sa pinakasimple, pinakamurang, pinakaligtas na paraan na posible. Sa pabrika nito malapit sa Houston, ginagawa na ngayon ng Last Energy ang una nitong maliit, modular pressure na reactor ng tubig, na gumagamit ng mga off-the-shelf na bahagi, na pinanggalingan sa pamamagitan ng mga kasalukuyang nuclear supply chain, na may teknolohiyang naperpekto sa mga dekada at ginagamit sa higit pa higit sa 300 reactor sa buong mundo.

Naibenta na ng Last Energy ang 10 sa 20-megawatt unit nito sa isang customer sa Poland, dalawa pa para sa Romania, at isang dakot para sa Britain. Sinabi ni Kugelmass na ang kanyang intelektwal na ari-arian ay wala sa mga napatunayang bahagi, ngunit sa kung paano pagsasama-samahin ang lahat ng ito. Sa ngayon ay nakalikom siya ng $24 milyon sa pangunguna ni Gigafund, at inaasahan ang mga unang reactor sa Poland na tatakbo sa 2025. Para tustusan ang mga makina, ang Last Energy ay pumapasok sa mga pangmatagalang kasunduan sa pagbili ng kuryente na nangangako sa mga customer ng mga dekada ng zero-carbon nuclear power sa mas mababa sa mga presyo sa merkado. "Nagawa naming mag-ukit ng isang kanais-nais na angkop na lugar na walang hinahabol," sabi ni Kugelmass. "Na-black box namin ang buong operasyon."

Kahit gaano kaakit-akit ang pangako ng pagsasanib, kung gagawin ng Kugelmass ang mga mapagkumpitensyang realidad ng matatag, maaasahang fission ay maaari pa ring i-relegate ang balakang na bagong pinsan nito sa dustbin ng mga heroic tech flops — tandaan ang Betamax, Google Glass at New Coke?

KARAGDAGANG MULA SA MGA BABAEPinagagana Ng Bilyong Dolyar, Ang Nuclear Fusion ay Papasok sa Bagong PanahonBy Christopher HelmanKARAGDAGANG MULA SA MGA BABAEAng Bagong Nuklear: Paano Plano ng $600 Milyong Fusion Energy Unicorn na Talunin ang SolarBy Christopher HelmanKARAGDAGANG MULA SA MGA BABAEAng Tahimik na Bilyonaryo sa Likod ng Predator Drone ng America na Pumatay kay Soleimani ng IranBy Deniz Çam