National Lab ontgrendelt kernfusie - echte doorbraak, nieuwheidswet of beide?

NKernfusie is al lang de Heilige Graal van echt schone energie. Het in elkaar slaan van waterstofatomen belooft grenzeloze elektriciteit met nul koolstofemissies, een minimum aan radioactief afval en nul kans op catastrofale kernsmelting. Maar al een halve eeuw worden fusiewetenschappers beperkt door de kracht van hun lasers en de kracht van hun magnetische velden - nooit eerder hebben ze uitgevogeld hoe ze meer energie uit hun atoombreuk kunnen melken dan ze erin stoppen. Tot nu toe.

Vandaag wetenschappers aan de Nationale ontstekingsfaciliteit de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië zal onthullen dat ze er begin december voor het eerst in zijn geslaagd om een ​​energiewinst van meer dan 1 te behalen - dat wil zeggen dat er meer energie werd uitgestoten door de reacties in hun deuterium-tritium-brandstofcapsule (2,000 megajoule) dan er in stond 192 lasers waarmee ze het beschoten hebben.

Het is een groot probleem, het vieren waard, maar een beetje een uitgemaakte zaak, zegt Debra Callahan, een plasmafysicus die onlangs het LLNL-fusieteam verliet om wetenschappelijk directeur te worden bij het opstarten Gerichte energie, die al werkt aan het commercialiseren van de aanpak.

Callahan wist dat LLNL netto energiewinst zou behalen nadat ze vorig jaar een energie-output van 72% van hun laser-energie-input bereikten. "Het is geen verrassing voor mij. Gezien de pad van resultaten die we hadden gezien, het zou gebeuren, 'zegt ze. Ze hadden gewoon iets meer laserkracht nodig. Dus hoe werkt het? Stel je een kleine holle cilinder van goud voor die in je handpalm past. Dat heet de hohlraum. In de hohlraum gaat een kleine brandstofcapsule waarin zich deuterium- en tritiumatomen bevinden.

Ze gebruiken goud omdat het de röntgenstralen vasthoudt die worden geproduceerd wanneer ze een van de uiteinden van de hohlraum opblazen met 173 van 's werelds krachtigste lasers. Callahan zegt: "Het is net een röntgenoven", die de brandstof zo sterk comprimeert dat het implodeert en fusie tussen atomen in het midden van de capsule ontsteekt. De fusie plant zich dan voort in een golf vanuit het centrum, waarbij een enorme hitte wordt uitgestoten. Dit alles gebeurt in een miljardste van een seconde.

Waarom verliet Callahan LLNL toen ze op het punt van succes stonden? Omdat, zegt ze, de National Ignition Facility geen fusiemachine is. De hohlraum is geweldig om ontsteking te demonstreren, maar het is niet noodzakelijkerwijs efficiënt genoeg voor het ontwikkelen van continue gepulseerde fusie, omdat er zoveel resterende laserenergie verloren gaat bij het opwarmen van het goud in plaats van de waterstofbrandstof. Dus bij Focused Energy (ondersteund door Prime Movers Lab en Nieuwe Enterprise Associates) hun plan is om de hohlraum weg te gooien en in plaats daarvan een "direct drive" -benadering te gebruiken - de lasers rechtstreeks op een brandstofcapsule schieten (zie schema).

Ze hebben nog niet aangetoond dat het werkt, maar Callahan is ervan overtuigd dat hun proefproject over een paar jaar een 10x energiewinst zal opleveren. Dat zal worden gevolgd door een tweede fabriek die een winst van 30x bereikt, gevolgd door wat aan het einde van de jaren 2030 hun eerste commerciële generator zou zijn, hopelijk een energiewinst van 100x en elke seconde 10 brandstofcapsules.

Maar daarin lag een bijzondere uitdaging. Met 10 per seconde zou hun machine bijna 900,000 capsules per dag gebruiken. Dit is niet hetzelfde als kolen in een oven scheppen; elke capsule zou volgens strenge normen moeten worden vervaardigd en met een perfecte timing in de machine moeten worden geschoten.

***

Is dat realistisch? Sommige fusieconcurrenten denken van niet. General Fusion is een in Vancouver, Canada gevestigd fusiebedrijf dat gisteren zijn eigen mijlpaal aankondigde. De aanpak wordt gemagnetiseerde doelfusie genoemd en omvat een machine waarbij ze een bal waterstofplasma in de machine injecteren en krachtige magneten gebruiken om deze vast te houden terwijl ze worden samengedrukt met mechanische zuigers in plaats van lasers. CEO Greg Twinney verwacht dat de proeffabriek die General Fusion in het VK bouwt, in 2027 fusie zal demonstreren, met een commercieel ontwerp klaar in de vroege jaren 2030. "Als we dit soort nieuws zien, zijn we niet verrast", zegt hij. Maar de aanpak van de LLNL kan niet worden geëxtrapoleerd naar een werkende fusiefabriek, wat General Fusion (ondersteund door $ 300 miljoen van Jeff Bezos, ShopifySHOP
CEO Tobias Lutke, en onder andere Temasek) wilden vanaf het begin doen. "Alles wat we doen is gericht op een commerciële energiecentrale", zegt hij. "Als het werkt in een wetenschappelijk experiment maar niet commercieel is, zijn we daar niet in geïnteresseerd."

Het LLNL-nieuws leverde een soortgelijke reactie op van CEO David Kirtley van de in Seattle gevestigde fusie-startup Helion, gesteund door $ 600 miljoen van technologiemagnaten Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman en Jeff Skoll. "We zijn verheugd dat ze hun wetenschappelijke mijlpalen voor hun machine hebben bereikt", zegt Kirtley. Maar hij voelt zich niet bedreigd door 'een onderzoeksapparaat dat niet is ontworpen om elektriciteit te maken'. De werking van de 60 meter lange fusiemachine van Helion omvat daarentegen het injecteren van plasmaballen aan elk uiteinde, die ze tegen elkaar slaan in een reactie van 100 miljoen graden, bestuurd door intense magnetische velden. 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 ​​"als een zuiger", zegt Kirtley, die een elektrische stroom opwekken, die Helion rechtstreeks uit de reactor opvangt. (Lees voor meer informatie verder Inductiewet van Faraday.)

Helion bouwt zijn 7e prototype en ontwerpt zijn 8e, waarvan Kirtley hoopt dat het de eerste commerciële fusiegenerator zal zijn - mogelijk tegen het einde van dit decennium aangesloten op het elektriciteitsnet, als alles goed gaat. Hij zegt dat federale nucleaire regelgevers klaar lijken om hun machine aan dezelfde regels te onderwerpen als deeltjesversnellers en het soort beeldvormingsmachines dat in ziekenhuizen wordt gebruikt.

En er zijn tal van andere bedrijven die de meest gevestigde benadering van fusie nastreven: de tokamak concept, waarbij bolletjes plasma worden geïnjecteerd in een reactorkamer in de vorm van een holle donut, bestuurd door krachtige magnetische velden. Gemenebestfusie, een spin-off van MIT, probeert de tokamak te perfectioneren met behulp van supergeleidende materialen op ultrahoge temperatuur waarvan CEO Bob Mumgaard denkt dat ze tegen het einde van het decennium een ​​werkend fusie-apparaat zullen hebben. Hetzelfde geldt voor het in San Diego gevestigde General Atomics (bekendste voor het uitvinden van de Predator-drone), die al tientallen jaren een tokamak bedient voor het ministerie van Energie en een nieuwe machine ontwerpt. GA bouwde ook misschien wel de krachtigste magneet ter wereld, de centrale solenoïde genaamd, voor 's werelds grootste fusieproject van allemaal, de $ 30 miljard ITER in aanbouw in Frankrijk. Als de andere fusie-startups hun zin krijgen, zal ITER achterhaald zijn voordat het ergens in het komende decennium is voltooid. GA (eigendom van miljardair Neal Blue) spreidt zijn weddenschappen en heeft een samenwerking met het Savannah River National Lab om brandstofpellets te produceren voor op laser gebaseerde fusiemachines zoals LLNR en Focused Energy.

Met wie je ook praat op het gebied van fusie, hun kritiek op lang gevestigde kernsplijtingsreactoren is hetzelfde. Kernsplijtingsreacties (waarbij grote atomen verrijkt uranium uiteenvallen) leveren radioactief afval op, waaronder plutonium en gevaarlijke actiniden die als wapen kunnen worden gebruikt. In tegenstelling tot fusie, die moeilijk te starten en gemakkelijk te stoppen is, zijn kernsplijtingsreacties gemakkelijk te starten en moeilijk te stoppen, wat het risico van catastrofale meltdowns met zich meebrengt. Nieuwere ontwerpen, zoals de WestinghouseAP1000 kernsplijtingsreactor, in aanbouw in zowel de VS als China, is voorzien van passieve veiligheidsmaatregelen en is vrijwel bestand tegen kernsmelting.

***

Sommige atomaire ondernemers denken dat splijting voldoende is. Bret Kugelmass, oprichter en CEO van Laatste energie, vijf jaar geleden uiteengezet om 's werelds meest efficiënte en economische kernreactor te ontwerpen. Voordat hij een besluit nam over zijn aanpak, interviewde Kugelmass, nu 36, honderden experts uit de nucleaire industrie (en zette de gesprekken op zijn Titans of Nuclear-podcast) om de collectieve wijsheid van de industrie te vergaren. Hoewel hij vertrouwen heeft in de toekomst van fusie op de lange termijn, stelde Kugelmass vast dat de beste gok ter wereld om af te stappen van fossiele brandstoffen, lag in het bouwen van modulaire splijtingsreactoren op de eenvoudigste, goedkoopste en veiligste manier die mogelijk is. In zijn fabriek in de buurt van Houston produceert Last Energy nu zijn eerste kleine, modulaire drukwaterreactoren, die kant-en-klare componenten gebruiken, afkomstig van bestaande nucleaire toeleveringsketens, met technologie die in de afgelopen decennia is geperfectioneerd en wordt gebruikt in meer dan 300 reactoren wereldwijd.

Last Energy heeft al 10 van zijn eenheden van 20 megawatt verkocht aan een klant in Polen, nog twee aan Roemenië en een handvol aan Groot-Brittannië. Kugelmass zegt dat zijn intellectuele eigendom niet in de bewezen componenten zit, maar in hoe ze allemaal samen te voegen. Hij heeft tot nu toe $ 24 miljoen opgehaald onder leiding van Gigafonds, en verwacht dat de eerste reactoren in Polen in 2025 zullen draaien. Om de machines te financieren, gaat Last Energy langlopende stroomafnameovereenkomsten aan die klanten tientallen jaren koolstofvrije kernenergie beloven tegen lagere marktprijzen. "We waren in staat om een ​​wenselijke niche te creëren waar niemand naar op zoek was", zegt Kugelmass. "We hebben de hele operatie in een zwarte doos gestopt."

Hoe aantrekkelijk de fusiebelofte ook mag zijn, als Kugelmass zijn zin krijgt, zou de competitieve realiteit van gevestigde, betrouwbare splitsing zijn hippe nieuwe neef toch kunnen degraderen naar de vuilnisbak van heroïsche tech-flops - weet je nog Betamax, Google Glass en New Coke?

MEER VAN FORBESGevoed door miljarden dollars, gaat kernfusie een nieuw tijdperk inBy Christopher HelmaniMEER VAN FORBESThe New Nuclear: hoe een fusie-energie-eenhoorn van $ 600 miljoen van plan is om zonne-energie te verslaanBy Christopher HelmaniMEER VAN FORBESDe stille miljardairs achter de Amerikaanse Predator-drone die de Iraanse Soleimani dooddeBy Deniz Cam