Endelig tager Fusion små skridt mod virkeligheden

Efter tre årtier med dyr regeringsfinansieret forskning, der ikke har formået at producere håndgribelige gennembrud, er atomfusion gået fra en lovende kilde til effektivt ubegrænset magt til noget mere som en punch line.

I det seneste år er det dog begyndt at ændre sig. Adskillige privatfinansierede virksomheder og små universitetsbaserede forskningsgrupper, der forfølger nye fusionsreaktordesigns, har leveret lovende resultater, der kan forkorte tidslinjen for at producere en prototypemaskine fra årtier til flere år. Kommerciel elproduktion fra fusion er stadig langt væk, men konturerne af en sådan reaktor kan nu opfattes.

Traditionel fusionsforskning har koncentreret sig om store, doughnut-formede maskiner kaldet tokamaks, som udøver kraftige magnetiske felter for at komprimere højtemperaturplasma - bølgende kugler af ladede partikler, der smelter sammen for at danne helium og frigiver store mængder energi i processen. Udfordringen er at indeholde det varme plasma og holde det stabilt; nutidens fusionsreaktorer, såsom den ved International termonuklear eksperimentel reaktor (ITER) projekt i det sydlige Frankrig, brug gigantiske spoler af elektromagneter, der forbruger meget mere energi, end maskinen faktisk producerer. ITER (udtales spiser), som trækker videnskabsmænd og finansiering fra Kina, EU, Indien, Rusland, Japan, Sydkorea og USA, forventes at koste snesevis af milliarder af dollars at producere en fungerende reaktor engang i 2030'erne . Måske.

To nyere udviklinger, der tilbyder nye og hurtigere veje til energiproducerende fusionsreaktorer, har galvaniseret fusionssamfundet. Tri Alpha Energy, der er baseret i Foothill Ranch, Californien, sagde i begyndelsen af ​​august, at det er lykkedes at holde et højenergiplasma stabilt i fem millisekunder - meget mindre end et blink med øjet, men en halv evighed på skalaen af ​​fusionsreaktioner , ifølge teknologichef Michl Binderbauer.

Tri Alpha, siger Binderbauer, bringer principperne for højenergipartikelacceleratorer, såsom Large Hadron Collider, til at påvirke problemerne med fusionsreaktorer. Specifikt har holdet bygget en enhed, 23 meter lang, der skyder to skyer af plasma mod hinanden for at danne en ring af plasma. Det magnetiske felt, der holder ringen sammen, genereres af plasmaet selv - en teknik kendt som en felt-omvendt konfiguration. Plasmaet opretholdes af indsprøjtning af højenergipartikler fra acceleratorer.

Udfordringen for Tri Alphas design, siger Binderbauer, er varm nok og lang nok - at holde plasmaet stabilt ved en høj nok temperatur til at opnå energi-positiv fusion. Det nylige eksperiment viste, at virksomheden – som har tiltrukket millioner af dollars i finansiering fra investorer, herunder Goldman Sachs og Vulcan, investeringsfonden for Microsofts medstifter Paul Allen – har løst problemet længe nok. At gøre plasmaet varmt nok er den næste nøgleudfordring. Næste år vil Tri Alpha begynde at bygge en ny og mere kraftfuld version af sin eksperimentelle enhed for at teste processen ved højere temperaturer.

Hos MIT Plasma Science and Fusion Center , en gruppe ledet af Dennis Whyte, professor i nuklear videnskab og teknik og centerets direktør, og kandidatstuderende Brandon Sorbom offentliggjorde i juli et konceptuelt design til en maskine kaldet ARC-reaktoren (overkommelig, robust, kompakt). Det nye ved ARC-designet er karakteren af ​​de elektromagneter, der begrænser plasmaet. Ved at bruge nyligt udviklede, fleksible superledende bånd lavet af sjældne jordarters barium-kobberoxid kan ARC-reaktoren opnå magnetiske felter med meget højere amplitude - og dermed muliggøre et reaktordesign, der er meget mindre end andre tokamak-baserede maskiner. Forskerne forestiller sig også et flydende tæppe, der omgiver plasmaet, der vil absorbere neutroner uden skader og give et effektivt varmeudvekslingsmedium til at producere elektricitet.

Forøgelse af amplituden af ​​det omgivende magnetfelt hæver mængden af ​​fusionskraft produceret i plasmaet til den fjerde potens - en dramatisk stigning, der kan føre til en kommerciel prototype i løbet af få år, ifølge Whyte.

Det er velkendt, at man kan lave meget kompakte enheder, hvis man hæver magnetfeltet til meget høje niveauer, siger han, men elektromagneterne skulle være kobber - ingen superleder kunne tolerere det magnetfelt. Nu kunne fremkomsten af ​​avancerede superlederbånd muliggøre en kompakt reaktor, der producerer fusion kontinuerligt.

Udgivet i Fusionsteknik og design , ARC-reaktorpapiret understreger, at det i øjeblikket kun er et konceptuelt design. Whyte håber at tiltrække midler til at bygge en eksperimentel maskine i løbet af de næste par år. I mellemtiden en kobling af private virksomheder, herunder ikke kun Tri Alpha, men også Tokamak energi , baseret i England og Vancouver-baseret General Fusion , arbejder på relaterede, men forskellige designs for at bringe fusion til prototypestadiet (se A New Approach to Fusion).

Vi kommer tættere på arbejdende maskiner, siger Michel Laberge, grundlægger og chefforsker ved General Fusion. I mange år var fusionsforskning området for store regeringslaboratorier, der gjorde et stort arbejde og etablerede grundlaget for, at fusion kunne fungere. Men der var ikke den store følelse af, at det hastede.

Nu er det hastende, og disse virksomheder tester nye ideer og nye tilgange - og tiltrækker investeringen til at gøre det. General Fusion landede for nylig $27 millioner i ny finansiering fra en gruppe investorer ledet af den suveræne formuefond i Malaysia.

Lige nu er det, der sker, en nytænkning, siger Burton Richter , der vandt Nobelprisen i fysik i 1976 og er rådgiver for Tri Alpha. Budgetnedskæringer i 1990'erne tvang nedlukningen af ​​alternative tilgange uden for ITER og det amerikanske energiministeriums National Ignition Facility. Virksomheder som Tri Alpha tilbyder en vej til fusion, som ikke er brolagt med skatteyderkroner, men med penge fra den private sektor - hvilket i sidste ende er den eneste måde at få noget bygget på.

Jonathan Menard, en plasmafysiker ved Princeton Plasma Physics Laboratory, leder Nationalt sfærisk toruseksperiment , som forfølger en tokamak formet som en badebold i stedet for en doughnut. Menard, hvis eget program for nylig afsluttede en opgradering til $94 millioner af sin eksperimentelle maskine, har nøje fulgt udviklingen med Tri Alpha og ARC indsatsen og mener, at disse innovationer bør forfølges yderligere.

Med forsigtighed fra en veteran fusionsforsker råder han dog til forsigtighed: Indtil du bygger det, ved du det ikke med sikkerhed.

skjule