Med hjälp av miljardärsdollar går kärnfusionen in i en ny tid

Efter att ha samlat in mer än 3 miljarder dollar 2021 från sådana som Bill Gates och Jeff Bezos, insisterar fusionsutvecklare på att denna energikälla utan koldioxid kan bli verklighet inom ett decennium.

Det är uppenbart att kärnfusion kan fungera i skala - titta bara på stjärnorna. I 70 år har fysiker drömt om att buteljera den stjärnkraften i form av fusionsreaktorer som skulle driva elnätet med samma gränslösa, koldioxidfria reaktioner som får solen att skina. Denna heliga gral har länge annonserats som bara 20 eller 30 år bort, men fusionsfans har vägrat att ge upp tron. Och av goda skäl. Fusion (att slå samman väteatomer till helium) lovar gränslös elkraft utan koldioxidutsläpp med noll risk för härdsmälta och praktiskt taget inget av det radioaktiva avfallet som är förknippat med befintliga kärnkraftverk som drivs med klyvning (uppdelningen av uranatomer till mindre grundämnen). 

Drömmen inspirerade Ajay Royan, medgrundare av Mithril Capital (med miljardären Peter Thiel), som 2013 först investerade 2 miljoner dollar i Redmond, Washington-baserade Helion Energy så att den kunde bygga en prototyp av "repetitiv pulskraft"-maskin. Mithril har investerat i Helion sedan dess, inklusive dess senaste runda på 500 miljoner dollar (värderar företaget till 3 miljarder dollar) — med löfte om 1.7 miljarder dollar mer om företagets sjunde prototyp fungerar som man hoppats. Helions runda leddes av Sam Altman från Y Combinator. 

Året 2021 var ett stort år för både fusionsfinansiering och prognoser, eftersom utvecklare samlade in mer än 3 miljarder dollar för att finansiera sin nästa omgång av maskiner – med några som nu lovar kommersiellt gångbar fusion på bara fem år. Royan är glad över att se fusion få mer uppmärksamhet; "Visst kan 2021 vara en vändpunkt för fusion enligt Google analytics, men den verkliga vändpunkten inträffade för ett decennium sedan när kraftelektronik passerade en tröskel." 

VD David Kirtley förklarar att det inledande FoU-arbetet bakom Helion gjordes i federala labb, ur vilka Helion snurrades 2013. Befriad från den federala FoU-byråkratin har Helion byggt nya prototyper efter varandra sedan dess. ”Startupmentaliteten är inte trevlig att ha, det är ett krav. och vad vi har fokuserat på från början”, säger Kirtley.

År 2020 färdigställde Helion sin sjätte prototypreaktor, kallad Trenta. Den bygger nu en sjunde, Polaris, samtidigt som den designar den åttonde, Antares, som Kirtley avser att vara den första fusionsmaskinen någonsin att lägga ut mer energi än den tar in. Vid sidan av snabb iteration drar Helion nytta av lokal expertis. De bygger Polaris-maskinen i Everett, Washington, nära Boeings största fabriker, där de kan utnyttja ett välkomnande ekosystem av kontraktsingenjörer och precisionstillverkare. Kirtley säger att de tillbringar morgnarna med att mixtra, uppdatera system och slå på kondensatorer. "Varje eftermiddag klockan 3 börjar vi göra fusion."

För att förstå Helions tillvägagångssätt, överväg först den magnetiska avstötningen som uppstår när du försöker tvinga ihop de positiva polerna hos två stångmagneter. Det är principen som möjliggör "mag-lev"-teknik som Japans berömda kultåg, som använder magnetisk repulsion för att flyta på en luftkudde. 

Fusionsforskare i decennier har försökt ta fram världens starkaste elektromagneter, med vilka de konstruerar reaktionskammare med magnetiska fält så starka att de kan innehålla och komprimera en injicerad ström av positivt laddade protoner till en plasmaklot så varm att de smälter in i helium. 

I Helions nya system trycker energin som frigörs i fusionsreaktionerna kontinuerligt ut mot dess magnetiska inneslutningsfält, som trycker tillbaka - vilket orsakar svängningar ("som en kolv", säger Kirtley) som genererar en elektrisk ström, som Helion fångar direkt från reaktorn . (För mer, läs upp om Faradays induktionslag.) 

Royan från Mithril säger att den kanske största attraktionen med Helions direkta elproduktionsmetod är dess enkelhet. Andra fusionsmetoder syftar till att generera värme, för att koka vatten och driva ångturbiner, som gör elektricitet - som vid traditionella kärnkraftverk. "Vi kan göra det utan ångturbiner eller kyltorn. Vi gör oss av med kraftverket.” 

För att vara säker förstår Kirtley fusionsskepsis, särskilt kring hans aggressiva tidtabell. Han började sin karriär inom fusionsområdet, inspirerad av forskare vid nationella laboratorier på 1960-talet som gjorde stora framsteg inom magnetisk inneslutning (tävlade med ryska forskare för att ta fram munkformade reaktorer som kallas tokamaks) redan före uppfinningen av transistorer. Men Kirtley tappade tron ​​efter att ha fastställt att tidiga tillvägagångssätt bara inte kunde utvecklas tillräckligt snabbt för att ge en kommersiell lösning - så han gick till arbetet med avancerad rymdskeppsframdrivning med plasmajetstrålar styrda av elektromagneter. Han kom tillbaka till fältet 2008 för att hjälpa till att kommersialisera Helions teknik. 

Med tiden föreställer han sig att tillverka fusionsgeneratorer i en fabrik. Ett skalasystem på 50 mw, förpackat i tre containerstora enheter, skulle driva 40,000 10 hem. "Om XNUMX år kommer vi definitivt att ha kommersiell el till försäljning." 

Det sätter Helion i ett race med Boston-baserade Commonwealth Fusion Systems, en MIT-spinoff, som samlade in 1.8 miljarder dollar från investerare inklusive Bill Gates och George Soros. VD Bob Mumgaard säger att de kommer att ha en fungerande reaktor om 6 år. Hans optimism stärks av Commonwealths framgångsrika sommartest av nya elektromagneter konstruerade med supraledare gjorda av sällsynt jordartsmetall av bariumkopparoxid. 

Mumgaard säger att dessa superdrivna magneter kommer att göra det möjligt för Commonwealth att fullända sin något mer traditionella fusionsmetod att bygga en munkformad "tokamak"-reaktor, som Mumgaard kallar en "stor magnetisk flaska" där kraftfulla magnetfält styr bollar med 100 miljoner graders plasma - " stjärnsaker." 

Det finns ungefär 150 tokamakar runt om i världen; den största är under uppbyggnad i Frankrike för 30 miljarder dollar av ett internationellt konsortium som heter ITER. Maskinen på 20,000 2035 ton, storleken på en basketarena, beräknas vara klar XNUMX. 

Men Mumgaard har för avsikt att Commonwealth Fusion gör ITER föråldrad innan den ens är klar. Dess kant ligger i tillämpningen av "hög temperatur" supraledare gjorda med sällsynta jordartsmetaller barium kopparoxid (aka ReBCO). 

Supraledare flyttar elektrisk ström med praktiskt taget noll förlust (mycket effektivare än koppar, till exempel). Och de är nyckeln till att göra kraftfulla elektromagneter. Commonwealth har funnit att genom att tillverka sina magneter med hjälp av en speciell bariumkopparoxidtejp (som tejpen som finns i en VHS-kassett) kan den uppnå magnetiska fält kraftigare än de som förväntades vid ITER, men på 1/20 av skalan. 

Medan ITERs primära magneter (kallade solenoider) kommer att väga cirka 400 ton och uppnå fält starkare än 12 tesla, tittar Commonwealth på magneter på 15 ton, var och en använder 300 km ReBCO tunnfilmstejp, som kommer att generera 20 tesla (som jämförelse, en magnetisk resonanstomografi maskin gör 1.5 tesla). 

"Detta låser upp fusionsmaskinen", säger Mumgaard. CES testade magneterna förra sommaren och förklarade att det var "bevis" på att vetenskapen om fusion nu var praktiskt taget komplett och att allt som återstår är att bygga reaktorn. "Vi förstår materialet väl och tror att vi kan göra det här på tre år", säger Mumgaard. "Senast 2030 kommer vi att se fusion på nätet." 

CES är inställd på att bygga sin fusionsmaskin på en 47 tunnland stor plats i Massachusetts och arbetar redan med att köpa tusentals kilometer av ReBCO-tejp. Kan tillgängligheten av den sällsynta jordartsmetallen bli en begränsande faktor i fusionens utbyggnad? Nej säger Mumgaard. "En fusionsanläggning kommer att ha mindre sällsynta jordartsmetaller än ett vindkraftverk. Fusion handlar inte om en resurs du behöver bryta eller pumpa. Det handlar om en teknik.” 

Det bör finnas plats för mer än en fusionsvinnare. Andra ledare inkluderar General Fusion, baserad i Kanada och med stöd av Jeff Bezos, som samlade in 130 miljoner dollar i år. Andra anmärkningsvärda miljardärer i fusionsspelet är Neal och Linden Blue, som äger San Diego-baserade General Atomics, som i decennier har drivit en forskningstokamak på uppdrag av DOE, och som i år levererade till ITER tarmen av sina tokamak-elektromagneter — en central solenoid på 1,000 1 ton. Och det finns TAE Energy of California, som har experimenterat med 130 miljard dollar under det senaste decenniet och samlat in XNUMX miljoner dollar under pandemin.

Fusionsteknik kan ha fått sin start i statligt finansierade labb, men dess förverkligande kommer att behöva förlita sig på privat finansiering. Amy Roma, partner på Hogan Lovells i Washington, DC, säger att den nu i limbo Build Back Better-räkningen skulle ha inkluderat 875 miljoner dollar för avancerad kärnkraft, men för närvarande måste industrin nöja sig med ett nytt kontor för avancerad reaktordemonstration under Department of Energy, finansierat av den senaste infrastrukturlagen. Kärnkraft utan koldioxidutsläpp skulle också dra nytta av president Bidens senaste verkställande order som kräver att den federala regeringens energiköp ska vara "netto-noll" år 2030. 

Den legendariska teknikinvesteraren Steve Jurvetson, en Samvälde Fusion-stödjare som skrev sin första check mot fusionsforskning för 25 år sedan, är nästan snurrig över att denna dröm som länge skjutits upp snart kan bli verklighet. "Det finns många som säger nej tills det är klart. Sedan säger de att det är uppenbart.” 

Mithrils Royan säger att han redan arbetar med att justera sitt ramverk för att överväga hur annorlunda världen kommer att se ut när fusion är verklig - "Tänk på möjligheterna för vattenavsaltning och gödselproduktion. Detta förändrar i grunden vattenekonomin över en natt, och därmed jordbrukets ekonomi.” Det är allt en del av mänsklighetens väg, säger han, "att fortsätta bevisa att Malthus var en idiot." 

MER FRÅN FORBESThe New Nuclear: How A $600 Million Fusion Energy Unicorn Plans To Beat SolarBy Christopher Helman
MER FRÅN FORBESDe tysta miljardärerna bakom USA:s rovdjursdrönare som dödade Irans SoleimaniBy Deniz Çam