National Lab låser upp kärnfusion – sant genombrott, nyhetslag eller båda?

Nuclear fusion har länge varit den heliga gralen för verkligt ren energi. Sammanslagningen av väteatomer lovar gränslös elektricitet med noll koldioxidutsläpp, ett minimum av radioaktivt avfall och noll chans till katastrofal härdsmälta. Men under ett halvt sekel har fusionsforskare varit begränsade av kraften i sina lasrar och styrkan i deras magnetfält - aldrig tidigare kommit på hur de kan mjölka mer energi ur sin atomkrossning än de lagt in. Fram till nu.

Idag forskare vid Nationell tändanläggning vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Kalifornien kommer att avslöja att de i början av december för första gången har lyckats uppnå en energivinst på mer än 1 - det vill säga mer energi släpptes ut från reaktionerna inuti deras deuterium-tritiumbränslekapsel (2,000 XNUMX megajoule) än vad som fanns i 192 lasrar som de sprängde den med.

Det är en stor sak, värt att fira, men något av en självklarhet, säger Debra Callahan, en plasmafysiker som nyligen lämnade LLNL-fusionsteamet för att bli vetenskaplig chef vid start. Fokuserad energi, som redan arbetar med att kommersialisera tillvägagångssättet.

Callahan visste att LLNL skulle uppnå nettoenergivinst efter att de förra året nådde en energiproduktion på 72 % av sina laserenergiinsatser. "Det är inte en överraskning för mig. Med tanke på resultat som vi hade sett, det skulle hända”, säger hon. De behövde bara lite mer laserkraft. Så hur fungerar det? Föreställ dig en liten ihålig cylinder gjord av guld som passar i din handflata. Det kallas det hohlraum. Inuti hohlraumen går en liten bränslekapsel inuti vilken det finns deuterium- och tritiumatomer.

De använder guld eftersom det håller i röntgenstrålar som produceras när de spränger vardera änden av hohlraumen med 173 av världens mest kraftfulla lasrar. Callahan säger: "Det är som en röntgenugn", som komprimerar bränslet så mycket att det imploderar och antänder fusion mellan atomer i mitten av kapseln. Fusionen fortplantar sig sedan ut i en våg från centrum och avger enorm värme. Allt detta händer på en miljarddels sekund.

Varför lämnade Callahan LLNL när de var på gränsen till framgång? För, säger hon, National Ignition Facility är ingen fusionsmaskin. Hohlraumen är utmärkt för att demonstrera antändning, men den är inte nödvändigtvis tillräckligt effektiv för att konstruera kontinuerlig pulserad fusion eftersom så mycket kvarvarande laserenergi går förlorad vid uppvärmning av guldet snarare än vätebränslet. Så på Focused Energy (uppbackad av Prime Movers Lab och Nya Enterprise Associates) deras plan är att kassera hohlraumen och istället använda en "direct drive"-metod – sprängning av lasrarna direkt på en bränslekapsel (se schematisk).

De har ännu inte visat att det fungerar, men Callahan är övertygad om att deras pilotprojekt om ett par år kommer att uppnå en 10x energivinst. Det kommer att följas av en andra anläggning som når 30x vinst, följt av vad som i slutet av 2030-talet skulle bli deras första kommersiella generator, förhoppningsvis uppnå en 100x energivinst och spränga 10 bränslekapslar varje sekund.

Men däri låg en särskild utmaning. Vid 10 per sekund skulle deras maskin använda nästan 900,000 XNUMX kapslar per dag. Det här är inte som att skotta in kol i en ugn; varje kapsel skulle behöva tillverkas enligt höga standarder och skjutas in i maskinen med perfekt timing.

***

Är det realistiskt? Vissa fusionskonkurrenter tycker inte det. General Fusion är ett Vancouver, Kanada-baserat fusionsföretag som igår tillkännagav sin egen milstolpe. Dess tillvägagångssätt kallas magnetiserad målfusion och involverar en maskin där de injicerar en boll av väteplasma i maskinen och använder kraftfulla magneter för att hålla den medan de komprimeras med mekaniska kolvar snarare än lasrar. VD Greg Twinney förväntar sig att pilotanläggningen General Fusion bygger i Storbritannien kommer att demonstrera fusion 2027, med kommersiell design klar i början av 2030-talet. "När vi ser sådana här nyheter blir vi inte förvånade", säger han. Men LLNL:s tillvägagångssätt kan inte extrapoleras till en fungerande fusionsanläggning, vilket är vad General Fusion (stödd av 300 miljoner dollar från Jeff Bezos, ShopifyKÖP
VD Tobias Lutke, och Temasek, med flera) satte sig för att göra från början. "Allt vi gör är fokuserat på ett kommersiellt kraftverk", säger han. "Om det fungerar i ett vetenskapligt experiment men inte är kommersiellt är vi inte intresserade av det."

LLNL-nyheterna genererade ett liknande svar från VD David Kirtley från Seattle-baserad fusionsstartup helion, med stöd av 600 miljoner dollar från teknikmagnaterna Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman och Jeff Skoll. "Vi är glada över att de når sina vetenskapliga milstolpar för sin maskin", säger Kirtley. Men han känner sig inte hotad av "en forskningsapparat som inte är designad för att tillverka elektricitet." Däremot innebär driften av Helions 60 fot långa fusionsmaskin att man injicerar plasmakulor i varje ände, och slår samman dem i en 100 miljoner graders reaktion kontrollerad av intensiva magnetfält. 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 vidare Faradays induktionslag.)

Helion bygger sin 7:e prototyp och designar sin 8:e, som Kirtley hoppas ska vara den första kommersiella fusionsgeneratorn - möjligen ansluten till elnätet i slutet av detta decennium, om allt går rätt. Han säger att federala kärnkraftsregulatorer ser ut att utsätta sin maskin för samma regler som partikelacceleratorer och den typ av bildbehandlingsmaskiner som används på sjukhus.

Och det finns gott om andra företag som bedriver den mest etablerade metoden för fusion - tokamak koncept, där bollar av plasma injiceras i en reaktorkammare formad som en ihålig munk, styrd av kraftfulla magnetfält. Commonwealth Fusion, en MIT-spinoff, strävar efter att fullända tokamak med superledande material med ultrahög temperatur som VD Bob Mumgaard tror kommer att göra det möjligt för dem att ha en fungerande fusionsenhet i slutet av årtiondet. Detsamma gäller för San Diego-baserade General Atomics (mest känd för att ha uppfunnit Predator-drönaren), som har drivit en tokamak för Department of Energy i decennier och designar en ny maskin. GA byggde också utan tvekan världens mest kraftfulla magnet, kallad den centrala solenoiden, för världens största fusionsprojekt av alla, 30 miljarder dollar ITER under uppbyggnad i Frankrike. Om de andra fusionsstartupen har sin vilja kommer ITER att vara föråldrad innan den ens är färdig någon gång nästa decennium. GA (ägd av miljardären Neal Blue) sprider sina satsningar och har ett partnerskap med Savannah River National Lab för att tillverka bränslepellets för laserbaserade fusionsmaskiner som LLNR och Focused Energy.

Vem du än pratar med inom fusionsområdet är deras kritik mot sedan länge etablerade kärnklyvningsreaktorer densamma. Fissionsreaktioner (där stora atomer av anrikat uran bryts isär) ger radioaktivt avfall inklusive plutonium och farliga aktinider som kan beväpnas. Till skillnad från fusion, som är svår att starta och lätt att stoppa, är fissionsreaktioner lätta att starta och svåra att stoppa, vilket introducerar risken för katastrofala härdsmältningar. Nyare design, som Westinghouse AP1000 fissionsreaktor, under uppbyggnad i både USA och Kina, har passiva säkerhetsåtgärder och är praktiskt taget härdsmältningssäker.

***

Vissa atomföretagare tycker att fission är tillräckligt. Bret Kugelmass, grundare och VD för Sista energin, satte sig för fem år sedan för att ta fram världens mest effektiva och ekonomiska kärnreaktor. Innan han bestämde sig för sitt tillvägagångssätt intervjuade Kugelmass, nu 36, hundratals experter från kärnkraftsindustrin (och lade samtalen på hans Titans of Nuclear podcast) för att ta fram branschens samlade visdom. Även om han tror på fusionens långsiktiga framtid, fastställde Kugelmass att världens bästa insats för att gå bort från fossila bränslen låg i att bygga modulära fissionsreaktorer på det enklaste, billigaste och säkraste sättet som möjligt. På sin fabrik nära Houston tillverkar Last Energy nu sina första små, modulära tryckvattenreaktorer, som använder hyllplanskomponenter, hämtade via befintliga kärnkraftsförsörjningskedjor, med teknologi som har fulländats under decennierna och används i fler mer än 300 reaktorer över hela världen.

Last Energy har redan sålt 10 av sina 20 megawatt-enheter till en kund i Polen, ytterligare två till Rumänien och en handfull till Storbritannien. Kugelmass säger att hans immateriella egendom inte ligger i de beprövade komponenterna, utan i hur man sätter ihop dem alla. Han har hittills samlat in 24 miljoner dollar under ledning av Gigafund, och förväntar sig att de första reaktorerna i Polen ska vara igång 2025. För att finansiera maskinerna ingår Last Energy långsiktiga kraftköpsavtal som lovar kunderna decennier av koldioxidfri kärnkraft till under marknadspriser. "Vi kunde skapa en önskvärd nisch som ingen var ute efter", säger Kugelmass. "Vi svarta boxade hela operationen."

Hur lockande som fusionslöftet än kan vara, om Kugelmass har sin vilja igenom kan konkurrensverkligheten av etablerad, pålitlig fission ändå förvisa sin nya hippa kusin till soptunnan för heroiska tech-flops – minns du Betamax, Google Glass och New Coke?

MER FRÅN FORBESMed hjälp av miljardärsdollar går kärnfusionen in i en ny tidBy Christopher HelmanMER FRÅN FORBESThe New Nuclear: How A $600 Million Fusion Energy Unicorn Plans To Beat SolarBy Christopher HelmanMER FRÅN FORBESDe tysta miljardärerna bakom USA:s rovdjursdrönare som dödade Irans SoleimaniBy Deniz Çam