En ny tilgang til fusion

General Fusion , en startup i Vancouver, Canada, siger, at den kan bygge et prototype fusionskraftværk inden for det næste årti og gøre det for mindre end en milliard dollars. Indtil videre har det rejst 13,5 millioner dollars fra offentlige og private investorer for at hjælpe med at kickstarte dens ambitiøse indsats.

Power stempler: General Fusions reaktor er en metalkugle med 220 pneumatiske stempler designet til at ramme dens overflade samtidigt. Rammningen skaber en akustisk bølge, der bevæger sig gennem en bly-lithium-væske og til sidst accelererer mod midten til en chokbølge. Chokbølgen komprimerer et plasmamål, kaldet en spheromak, for at udløse et fusionsudbrud. Den termiske energi udvindes med en varmeveksler og bruges til at skabe damp til elproduktion. For at producere strøm ville processen blive gentaget hvert sekund.

I modsætning til de 14 mia ITER projekt i gang i Frankrig, er General Fusions tilgang ikke afhængig af dyre superledende magneter - kaldet tokamaks - til at indeholde det overophedede plasma, der er nødvendigt for at opnå og opretholde en fusionsreaktion. Virksomheden kræver heller ikke kraftige lasere, som dem inden for Nationalt tændingsanlæg ved Lawrence Livermore National Laboratory, for at begrænse et plasmamål og komprimere det til ekstreme temperaturer, indtil fusion opstår.

I stedet siger General Fusion, at den kan opnå nettoforstærkning - det vil sige skabe en fusionsreaktion, der afgiver mere energi, end der er nødvendig for at udløse den - ved hjælp af relativt lavteknologisk, mekanisk råkraft og avancerede digitale kontrolteknologier, som forskerne kun kunne drømme om 30 år siden.

Det kan virke usandsynligt, men nogle top amerikanske fusionseksperter siger General Fusions tilgang, som er en variation af, hvad industrien kalder magnetiseret målfusion , er videnskabeligt velfunderet og kunne faktisk fungere. Det er et langt skud, siger de, men det er et forsøg værd.

Jeg roder efter dem, siger Ken Fowler , professor emeritus i atomteknik og plasmafysik ved University of California, Berkeley, og en førende autoritet inden for fusionsreaktordesign. Han har analyseret tilgangen og fundet ingen tekniske showstoppers. Måske kan disse fyre gøre det. Det er virkelig held ved lodtrækningen.

Prototypereaktoren vil være sammensat af en metalkugle på cirka tre meter i diameter, der indeholder en flydende blanding af lithium og bly. Væsken spindes for at skabe en hvirvel inde i kuglen, der danner et lodret hulrum i midten. På dette tidspunkt injiceres to donutformede plasmaringe, der holdes sammen af ​​selvgenererede magnetfelter, kaldet spheromaks, ind i hulrummet fra toppen og bunden af ​​kuglen og samles for at skabe et mål i midten. Tænk på det som at blæse røgringe mod hinanden, siger Doug Richardson, administrerende direktør for General Fusion.

På ydersiden af ​​metalkuglen er 220 pneumatisk styrede stempler, hver programmeret til samtidig at ramme kuglens overflade med 100 meter i sekundet. Stemplernes kraft sender en akustisk bølge gennem bly-lithium-blandingen, og den accelererer til en stødbølge, når den når plasmaet, som er lavet af brintisotoperne deuterium og tritium.

Hvis alt fungerer som planlagt, vil plasmaet komprimeres øjeblikkeligt, og isotoperne vil smelte sammen til helium og frigive en byge af energifyldte neutroner, der fanges af bly-lithium-væsken. Den hurtige varmeopbygning i væsken vil blive ekstraheret gennem en varmeveksler, hvor halvdelen bruges til at skabe damp, der roterer en turbine til elproduktion, og resten bruges til at genoplade stemplerne til næste skud.

Det ultimative mål er at injicere et nyt plasmamål og affyre stemplerne hvert sekund, hvilket skaber impulser af fusionsreaktioner som en del af en selvopretholdende proces. Dette står i kontrast til ITER, som har til formål at skabe en enkelt fusionsreaktion, der kan opretholde sig selv. En af de store risici for projektet er, at ingen har komprimeret sfæromaks til fusionsrelevante forhold før, siger Richardson. Der er ingen grund til, at det ikke vil virke, men ingen har nogensinde bevist det.

Han siger, at det ser længere ud end forventet rejse pengene til prototypeprojektet, men virksomheden kan nu starte første fase af opbygningen af ​​testreaktoren, herunder udvikling af 3-D-simuleringer og teknisk verifikation af komponenter. General Fusion sigter mod at færdiggøre reaktoren og demonstrere nettogevinst inden for fem år, forudsat at den kan rejse yderligere 37 millioner dollars.

Hvis det lykkes, tror det, at det kan bygge en net-kapabel fusionsreaktor vurderet til 100 megawatt fire år senere for omkring $500 millioner, hvilket slår ITER med omkring 20 år og til en brøkdel af prisen.

Jeg plejer at gå glip af de her skæve ideer, der passerer min vej, men den her fascinerede mig virkelig, siger Fowler. Han bemærker, at der er enorme udfordringer at overvinde, men kulturen i en privat startup kan være det, der skal til for at tackle dem med en følelse af, at det haster. I de store programmer, især fusionsprogrammerne, har folk fået så meget tæsk, at de er blevet så risikovillige.

General Fusions grundlæggende tilgang er ikke helt ny. Det bygger på arbejde udført i 1980'erne af U.S. Naval Research Laboratory, baseret på et koncept kaldet Linus. Problemet var, at forskerne ikke kunne finde ud af en hurtig nok måde at komprimere plasmaet, før det mistede sin doughnut-formede magnetiske indeslutning, et mulighedsvindue målt i millisekunder. Ligesom røgringe bevarer plasmaringene deres form kun et øjeblik, før de spredes.

Nuklear-forskningsgiganten General Atomics kom senere på ideen om hurtigt at komprimere plasmaet ved hjælp af en mekanisk rammeproces, der skaber akustiske bølger. Men virksomheden fulgte aldrig op - sandsynligvis fordi teknologien til præcist at kontrollere hastigheden og samtidig udløsning af trykluftstemplerne simpelthen ikke eksisterede for to årtier siden.

Richardson siger, at højhastigheds digital behandling er let tilgængelig i dag, og General Fusions mission over de næste to til fire år er at bevise, at den kan gøre jobbet. Inden man bygger en fuldt funktionel reaktor med 220 stempler på en metalkugle, vil virksomheden først verificere, at mindre ringe på 24 stempler kan synkroniseres til at ramme en ydre metalskal.

Glen var , programleder for fusionsenergividenskab ved Los Alamos National Laboratory og ekspert i magnetiseret målfusion, siger, at General Fusion har en udfordrende vej forude og mange spørgsmål at besvare endeligt. Kan de producere sfæromaks med den rette tæthed, temperatur og levetid? Kan de injicere to spheromaks i modsatte ender af hvirvelhulen og sikre sig, at de støder sammen og smelter sammen? Vil de akustiske bølger bevæge sig ensartet gennem det flydende metal?

Du kan gøre en god del af det gennem simuleringer, men ikke det hele, siger Wurden. Dette er alt sammen meget komplekst, state-of-the-art arbejde. Problemet er, at du har at gøre med forskellige tidsskalaer og forskellige effekter på materialer, når de udsættes for chokbølger.

Los Alamos og General Fusion samarbejder som en del af et nyligt underskrevet forskningsaftale . Men Richardson planlægger ikke en jævn tur. Projektet har mange risici, siger han, og vi forventer, at det meste af det ikke fungerer helt som forventet. Men hvis virksomheden kan trække sin testreaktor, håber den at tiltrække nok opmærksomhed til nemt at rejse de 500 millioner dollars til et demonstrationskraftværk.

Siger Fowler, der sker mirakler.

skjule