Gevoed door miljarden dollars, gaat kernfusie een nieuw tijdperk in

Na in 3 meer dan $ 2021 miljard te hebben opgehaald van onder meer Bill Gates en Jeff Bezos, houden fusie-ontwikkelaars vol dat deze koolstofvrije energiebron binnen tien jaar realiteit kan zijn.

Het is duidelijk dat kernfusie op grote schaal kan werken - kijk maar naar de sterren. Al 70 jaar dromen natuurkundigen ervan om die sterkracht te bottelen in de vorm van fusiereactoren die het elektriciteitsnet zouden voeden met dezelfde grenzeloze, koolstofvrije reacties die de zon laten schijnen. Deze Heilige Graal is lang geadverteerd als slechts 20 of 30 jaar verwijderd, maar fusionfans hebben geweigerd het geloof op te geven. En met een goede reden. Fusie (het samensmelten van waterstofatomen tot helium) belooft grenzeloze koolstofvrije elektrische energie met nul risico op kernsmelting en vrijwel geen van het radioactieve afval dat geassocieerd wordt met bestaande kerncentrales die draaien op kernsplijting (het uit elkaar splitsen van uraniumatomen in kleinere elementen). 

De droom inspireerde Ajay Royan, mede-oprichter van Mithril Capital (met miljardair Peter Thiel), die in 2013 voor het eerst $ 2 miljoen investeerde in Helion Energy in Redmond, Washington, zodat het een prototype van een "repetitive pulse power" -machine kon bouwen. Mithril heeft sindsdien in Helion geïnvesteerd, inclusief de recente ronde van $ 500 miljoen (waardering van het bedrijf op $ 3 miljard) - met de belofte van $ 1.7 miljard meer als het zevende prototype van het bedrijf werkt zoals gehoopt. De ronde van Helion werd geleid door Sam Altman van Y Combinator. 

Het jaar 2021 was een groot jaar voor zowel fusiefinancieringen als prognoses, aangezien ontwikkelaars meer dan $ 3 miljard ophaalden om hun volgende ronde machines te financieren - waarvan sommige nu commercieel levensvatbare fusie beloven in slechts vijf jaar. Royan is blij dat fusie meer aandacht krijgt; "Natuurlijk kan 2021 volgens Google Analytics een keerpunt zijn voor fusie, maar het echte keerpunt vond tien jaar geleden plaats toen vermogenselektronica een drempel overschreed." 

CEO David Kirtley legt uit dat het eerste R&D-werk achter Helion werd gedaan in federale laboratoria, waaruit Helion in 2013 werd gesponnen. Bevrijd van de federale R&D-bureaucratie, bouwt Helion sindsdien de een na de ander nieuwe prototypes. “De startup-mentaliteit is niet leuk om te hebben, het is een vereiste. en waarop we ons vanaf het begin hebben gericht”, zegt Kirtley.

In 2020 voltooide Helion zijn zesde prototypereactor, genaamd Trenta. Het bouwt nu een zevende, Polaris, terwijl het al bezig is met het ontwerpen van de achtste, Antares, waarvan Kirtley van plan is de eerste fusiemachine ooit te worden die meer energie uitstraalt dan er in gaat. Naast snelle iteratie profiteert Helion van lokale expertise. Het bouwt de Polaris-machine in Everett, Washington, in de buurt van de grootste fabrieken van Boeing, waar ze kunnen putten uit een gastvrij ecosysteem van contractingenieurs en precisiefabrikanten. Kirtley zegt dat ze de ochtenden besteden aan knutselen, systemen updaten en condensatoren opstarten. “Elke middag om 3 uur beginnen we met fusion.”

Om de aanpak van Helion te begrijpen, moeten we eerst kijken naar de magnetische afstoting die optreedt wanneer je de positieve polen van twee staafmagneten probeert samen te drukken. Het is het principe dat 'mag-lev'-technologie mogelijk maakt, zoals de beroemde Japanse kogeltreinen, die magnetische afstoting gebruiken om op een luchtkussen te zweven. 

Fusieonderzoekers hebben decennialang geprobeerd de sterkste elektromagneten ter wereld te ontwikkelen, waarmee ze reactiekamers construeren met magnetische velden die zo sterk zijn dat ze een geïnjecteerde stroom positief geladen protonen kunnen bevatten en comprimeren tot een bol plasma die zo heet is dat ze samensmelten tot helium. 

In het nieuwe systeem van Helion duwt de energie die vrijkomt bij de fusiereacties continu naar buiten tegen het magnetische insluitingsveld, dat terugduwt - waardoor oscillaties ontstaan ​​("zoals een zuiger", zegt Kirtley) die een elektrische stroom genereren, die Helion rechtstreeks van de reactor opvangt. . (Lees voor meer informatie over de inductiewet van Faraday.) 

Royan van Mithril zegt dat misschien wel de grootste aantrekkingskracht van Helion's methode voor directe elektriciteitsopwekking de eenvoud is. Andere fusiebenaderingen zijn gericht op het opwekken van warmte, om water te koken en stoomturbines aan te drijven, die elektriciteit opwekken, zoals bij traditionele kerncentrales. “We kunnen het doen zonder stoomturbines of koeltorens. We halen de energiecentrale weg.” 

Zeker, Kirtley begrijpt fusie-scepsis, vooral rond zijn agressieve tijdschema. Hij begon zijn carrière op het gebied van fusie, geïnspireerd door wetenschappers in nationale laboratoria in de jaren zestig die grote vooruitgang boekten op het gebied van magnetische inperking (wedijveren met Russische wetenschappers om donutvormige reactoren te ontwikkelen, tokamaks genaamd) nog vóór de uitvinding van transistors. Maar Kirtley verloor het vertrouwen nadat hij had vastgesteld dat vroege benaderingen gewoon niet snel genoeg konden evolueren om een ​​commerciële oplossing te bieden - dus ging hij aan de slag met geavanceerde voortstuwing van ruimteschepen met behulp van plasmajets die worden bestuurd door elektromagneten. Hij keerde terug naar het veld in 1960 om de technologie van Helion te helpen commercialiseren. 

Na verloop van tijd stelt hij zich voor dat hij fusiegeneratoren gaat maken in een fabriek. Een systeem op schaal van 50 mW, verpakt in drie eenheden ter grootte van een zeecontainer, zou 40,000 huishoudens van stroom kunnen voorzien. "Over 10 jaar hebben we zeker commerciële elektriciteit te koop." 

Dat brengt Helion in een race met het in Boston gevestigde Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van MIT, die $ 1.8 miljard ophaalde bij investeerders, waaronder Bill Gates en George Soros. CEO Bob Mumgaard zegt dat ze over zes jaar een werkende reactor zullen hebben. Zijn optimisme wordt ondersteund door de succesvolle zomertest van het Gemenebest van nieuwe elektromagneten die zijn ontworpen met supergeleiders gemaakt van barium-koperoxide van de zeldzame aarde. 

Mumgaard zegt dat deze superkrachtige magneten het Gemenebest in staat zullen stellen om hun wat meer traditionele fusiebenadering te perfectioneren door een donutvormige "tokamak" -reactor te bouwen, die Mumgaard een "grote magnetische fles" noemt, waar krachtige magnetische velden ballen van 100 miljoen graden plasma beheersen - " sterrendingen. 

Er zijn ongeveer 150 tokamaks over de hele wereld; de grootste is in aanbouw in Frankrijk voor $ 30 miljard door een internationaal consortium genaamd ITER. De machine van 20,000 ton, zo groot als een basketbalarena, moet in 2035 klaar zijn. 

Maar Mumgaard is van plan om met Commonwealth Fusion ITER overbodig te maken nog voordat het voltooid is. Het voordeel zit in de toepassing van "hoge temperatuur" supergeleiders gemaakt met zeldzame aarde bariumkoperoxide (ook bekend als ReBCO). 

Supergeleiders verplaatsen elektrische stroom vrijwel zonder verlies (veel efficiënter dan bijvoorbeeld koper). En ze zijn de sleutel tot het maken van krachtige elektromagneten. Commonwealth heeft ontdekt dat door zijn magneten te maken met behulp van een speciale barium-koperoxide-tape (zoals de tape in een VHS-cassette) het magnetische velden kan bereiken die krachtiger zijn dan de verwachte bij ITER, maar op 1/20e van de schaal. 

Terwijl ITER's primaire magneten (solenoids genoemd) zo'n 400 ton zullen wegen en velden zullen bereiken die sterker zijn dan 12 tesla, kijkt Commonwealth naar 15-ton magneten, die elk 300 km ReBCO dunne-filmtape gebruiken, die 20 tesla zullen genereren (ter vergelijking: een magnetische resonantie beeldvormingsmachine doet 1.5 tesla). 

"Dit ontgrendelt de fusiemachine", zegt Mumgaard. CES testte de magneten afgelopen zomer en verklaarde dat het "bewijs" was dat de wetenschap van fusie nu zo goed als compleet was en dat het enige dat overblijft is om de reactor te bouwen. "We begrijpen de stof goed en denken dat we dit in drie jaar kunnen doen", zegt Mumgaard. "Tegen 2030 zullen we fusie op het elektriciteitsnet zien." 

CES gaat zijn fusiemachine bouwen op een terrein van 47 hectare in Massachusetts en werkt al aan duizenden kilometers ReBCO-tape. Kan de beschikbaarheid van de zeldzame aarde een beperkende factor worden bij de uitrol van kernfusie? Nee, zegt Mumgaard. “Een fusiecentrale zal minder zeldzame aardmetalen bevatten dan een windturbine. Fusion gaat niet over een hulpbron die je moet ontginnen of pompen. Het gaat om een ​​technologie.” 

Er moet ruimte zijn voor meer dan één fusiewinnaar. Andere leiders zijn onder meer General Fusion, gevestigd in Canada en gesteund door Jeff Bezos, dat dit jaar $ 130 miljoen ophaalde. Andere opmerkelijke miljardairs in het fusiespel zijn Neal en Linden Blue, die eigenaar zijn van het in San Diego gevestigde General Atomics, dat al tientallen jaren een onderzoeks-tokamak exploiteert namens de DOE, en dat dit jaar het lef van zijn tokamak-elektromagneten aan ITER heeft geleverd - een centrale solenoïde van 1,000 ton. En er is TAE Energy of California, dat de afgelopen tien jaar met $ 1 miljard heeft geëxperimenteerd en tijdens de pandemie $ 130 miljoen heeft opgehaald.

Fusion-technologie is misschien begonnen in door de overheid gefinancierde laboratoria, maar de vervulling ervan zal afhankelijk moeten zijn van particuliere financiering. Amy Roma, partner bij Hogan Lovells in Washington, DC, zegt dat de nu in het ongewisse gemaakte Build Back Better-wetsvoorstel 875 miljoen dollar voor geavanceerde kernenergie zou hebben omvat, maar voorlopig zal de industrie genoegen moeten nemen met een nieuw kantoor voor geavanceerde reactordemonstratie onder de Ministerie van Energie, gefinancierd door de recente Infrastructuurwet. Koolstofvrije kernenergie zou ook profiteren van het recente uitvoerende bevel van president Biden waarin wordt opgeroepen om de energie-aankopen van de federale overheid tegen 2030 "netto-nul" te maken. 

De legendarische tech-investeerder Steve Jurvetson, een financier van Commonwealth Fusion die 25 jaar geleden zijn eerste cheque uitschreef voor fusieonderzoek, is bijna duizelig dat deze lang uitgestelde droom binnenkort werkelijkheid zou kunnen worden. 'Er zijn genoeg nee-zeggers totdat het klaar is. Dan zeggen ze dat het duidelijk is.” 

Royan van Mithril zegt dat hij al bezig is zijn raamwerk aan te passen om na te gaan hoe anders de wereld eruit zal zien als fusie echt is. “Denk aan de mogelijkheden voor waterontzilting en kunstmestproductie. Dit verandert de watereconomie van de ene op de andere dag fundamenteel, en daarmee de economie van de landbouw.” Het maakt allemaal deel uit van het pad van de mensheid, zegt hij, "om te blijven bewijzen dat Malthus een idioot was." 

MEER VAN FORBESThe New Nuclear: hoe een fusie-energie-eenhoorn van $ 600 miljoen van plan is om zonne-energie te verslaanBy Christopher Helmani
MEER VAN FORBESDe stille miljardairs achter de Amerikaanse Predator-drone die de Iraanse Soleimani dooddeBy Deniz Cam