Wanneer zal kernfusie olie en gas failliet laten gaan?

Deze kerstperiode is een tijd van dank en hoop voor het opleggen van sprongen in de wetenschap die worden gemaakt:

Eerste, Prins William, oprichter van de Earthshots Prize, kondigde prijzen aan in Boston in 2022. Eén categorie werd uitgeroepen Blaas onze oceanen nieuw leven in. De winnaar was een groep genaamd Inheemse vrouwen van het Great Barrier Reef. Het rif is aangevallen en de winnaars zetten zich in voor de verdediging ervan. Ze werken aan de bescherming van stranden en schildpadden en aan het behoud van zeegras dat tien keer meer CO2 vastlegt dan Amazonewouden. Ze maken gebruik van oude inheemse kennis en gebruiken moderne hulpmiddelen zoals drones om de veranderingen in het koraalrif en bosbranden in het binnenland te volgen.

Ten tweede financiert het Amerikaanse ministerie van Energie al 20 jaar het concept en de ontwikkeling van een kleine modulaire kernreactor (SMR), de NuScale Power Module. Veiliger, goedkoper, schaalbaar en koolstofvrij zijn de voordelen. Het is de enige SMR die ontwerpgoedkeuring heeft gekregen van de Nuclear Regulatory Commission (NRC). De module is minder dan 100 meter hoog en is een cilinder van 15 meter breed die in een waterbad onder het maaiveld zit. Het kan 77 MegaWatt elektriciteit produceren die 60,000 huishoudens van stroom kan voorzien. Het doel is om in 2029 in Idaho operationeel te zijn.

Ten derde heeft de medische instelling een doorbraak in de behandeling van bepaalde vormen van kanker. De methode haalt T-cellen, die deel uitmaken van het immuunsysteem dat kanker bestrijdt, uit het lichaam om ze genetisch te modificeren, met behulp van de CRISPR-techniek, en ze vervolgens opnieuw in het lichaam te injecteren als een "levend medicijn". Met behulp van CRISPR kunnen de T-cellen nauwkeurig worden afgesteld en dodelijker worden gemaakt in hun aanval op bepaalde kankercellen.

Deze "off-the-shelf" T-cellen kunnen snel in grote hoeveelheden worden vervaardigd met behulp van CRISPR, in plaats van weken of maanden eerder te moeten wachten. Op 12 december 2022 maakte dr. McGuirk van de Universiteit van Kansas onderzoeksresultaten bekend die verrassend goed waren en een nieuwe deur openden voor de behandeling van kanker: de tumoren waren geslonken bij 67% van de 32 patiënten met lymfoomkanker. 40% van de patiënten bereikte volledige remissie. Er is veel enthousiasme voor het potentieel van deze techniek om vele andere vormen van kanker te genezen.

Ten vierde is er een doorbraak in kernfusie die behoorlijk verbluffend is.

Doorbraak kernfusie.

In de vorige eeuw, de grootste eeuw van de natuurkunde, was een van de ontdekkingen kernsplijting. Wanneer een zwaar atoom zoals plutonium uiteenvalt, gaat een kleine hoeveelheid massa verloren en verschijnt weer als een enorme hoeveelheid energie - omdat E = mc ^ 2, waarbij c de snelheid van het licht is en een zeer groot getal.

Met de dreiging dat Duitsland op basis van deze reactie een kettingreactiebom zou ontwikkelen, heeft de Amerikaanse regering enorm veel geld gestoken in de bouw van een kernsplijtingsbom in Los Alamos, New Mexico, niet ver van waar ik woon. Het werd getest in de White Sands-woestijn ten zuiden van Albuquerque en werd uiteindelijk gebruikt om de oorlog met Japan te beëindigen.

Commerciële toepassing leidde al snel tot kernreactoren ter grootte van een rooster in verschillende landen. Sommige waren succesvol - Frankrijk haalt 70% van zijn elektrische energie uit 56 kernreactoren, terwijl de VS ongeveer 20% van zijn energie haalt uit 93 kernreactoren.

Maar succes is ongemakkelijk wanneer er vreselijke ongelukken gebeuren, zoals Tsjernobyl, Rusland, in 1986 en Fukushima, Japan, in 2011, en de altijd aanwezige zorgen over de verwijdering van nucleair afval in de VS.

Een zusterkernreactie is wanneer twee waterstofkernen gedwongen worden samen te smelten tot helium door de afstotende krachten te overwinnen en opnieuw een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Dit was de basis van de Amerikaanse waterstofbomtesten in de Stille Zuidzee (Bikini-atol) in de jaren vijftig vóór het testverbod van 1950.

Sindsdien is er in de afgelopen decennia gezocht naar commerciële toepassing van kernfusie. Een onderneming is bijvoorbeeld gevestigd in Sandia National Laboratories in Albuquerque, waar heet geladen plasma wordt ingesloten door elektrische velden. Het idee was om het plasma op te sluiten, samen te persen en te verwarmen (energie-in) totdat waterstofkernen samensmelten (energie-uit). Maar energie-in was altijd groter dan energie-uit.

Een andere commerciële toepassing was in het Lawrence Livermore Laboratory in de San Francisco Bay Area in Californië. Hier Er werden 192 lasers gebruikt om het plasma op te sluiten, samen te persen en te verwarmen door een pellet van gemengde waterstofisotopen van $ 1 miljoen op te blazen. De resultaten waren altijd hetzelfde - tot nu toe. Aangekondigd in de week die eindigde op 16 december 2022, was energie-out (3.1 MegaJoules) voor het eerst meer dan energie-in (2.1 MegaJoules). Het is een echte doorbraak. De bereikte temperatuur was 3 miljoen graden C.

Dit in perspectief plaatsen.

Ten eerste is energie-in versus energie-uit te simpel, omdat het opstarten van de lasers veel meer energie vereist: 400 MegaJoules. Zie referentie 1.

Ten tweede ging het succesverhaal over slechts één gebeurtenis: één fusie-ontsteking. Om praktisch praktisch te zijn, zijn vele, vele fusiegebeurtenissen per minuut nodig en zou een laser nodig zijn die duizenden keren krachtiger is. Bovendien zouden de kosten een miljoen keer goedkoper moeten zijn (Ref 1). Kortom, dit ene succes, hoewel inspirerend, komt bij lange na niet in de buurt van praktische toepassing.

Het is dus niet goedkoop en niet praktisch, maar het zou energie met een hoge intensiteit produceren en het zou koolstofvrij zijn.

Kernsplijtingsenergie is een miljoen keer krachtiger dan enige andere energiebron op aarde. En dit is een belangrijke reden waarom er is geïnvesteerd in landen als Frankrijk en de VS om tientallen kerncentrales te bouwen.

Kernfusie levert 3 tot 4 keer meer energie op dan kernsplijting. Dat is een deel van de droom. Een ander onderdeel van de fusiedroom is dat er geen nucleaire afvalproducten zijn om te verwijderen - afvalproducten die honderden of duizenden jaren nodig hebben om te vervallen. Een derde deel is dat fusie geen kettingreactie is, dus het gevaar van op hol geslagen kernreacties en explosies is onbestaande.

Aangezien het opwekken van elektriciteit verantwoordelijk is voor ongeveer een derde van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, bestaat het laatste deel van de droom uit kernfusiecentrales die over een land worden verspreid om koolstofvrije elektrische energie met hoge intensiteit te leveren.

Maar onthoud, het is maar een droom. Ondanks de voordelen zal koolstofvrije kernfusie de olie- en gasindustrie niet failliet laten gaan tegen 2050 en misschien zelfs niet tegen 2100.

Afhaalrestaurants.

De mensheid heeft de licht- en warmtebron van de zon nagebootst. Bij ongeveer 15 miljoen graden Celsius wordt het gasvormige binnenste van de zon samengeperst onder enorme druk – een theelepel weegt 750 gram of 1.65 lb. Om de binnenomstandigheden van de zon in het laboratorium na te bootsen en break-even te bereiken ) is een indrukwekkende prestatie.

Maar kernfusie komt bij lange na niet in de buurt van commerciële toepassing.

Dus waarom besteden we er veel geld aan om het te onderzoeken? Want dat is wat ontwikkelde landen doen. Ze bouwen telescopen zoals de James Webb en installeren ze op satellieten om het universum te bestuderen. Ze bouwen raketten om mannen en vrouwen op de maan te zetten. Ze bouwen magnetische racebanen om protonen te versnellen tot de snelheid van het licht voordat ze crashen en in de fragmenten ongrijpbare subatomaire deeltjes zoals het Higgs-deeltje onthullen.

Politiek speelt een grote rol bij het bepalen waar overheidssteun en financiering voor wetenschap wordt verdeeld. Gelukkig zijn er, zoals hierboven vermeld, veel voorbeelden van landen die wetenschap gebruiken om urgente problemen op te lossen die de mensheid rechtstreeks ten goede komen.

Referentie 1: Jerusalem Demsas, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16 december 2022.