När kommer kärnfusion att lägga olja och gas ur drift.

Den här julen är en tid för tack och hopp för imponerande språng inom vetenskapen som görs:

Först, Prins William, som grundade Earthshots-priset, tillkännagav utmärkelser i Boston 2022. En kategori kallades Återuppliva våra hav. Vinnaren var en grupp som hette Ursprungskvinnor vid Stora Barriärrevet. Revet har varit under attack, och vinnarna är engagerade i dess försvar. De arbetar för att skydda stränder och sköldpaddor och bevara sjögräs som fångar upp tio gånger mer CO2 än Amazonas skogar. De bekämpar forntida aboriginisk kunskap och använder moderna verktyg som drönare för att övervaka revens förändringar i koraller såväl som inre skogsbränder.

För det andra har det amerikanska energidepartementet i 20 år finansierat konceptet och utvecklingen av en liten modulär kärnreaktor (SMR) som kallas NuScale Power Module. Säkrare, billigare, skalbar och kolfri är fördelarna. Det är den enda SMR som får designgodkännande från Nuclear Regulatory Commission (NRC). Modulen är mindre än 100 fot hög och är en 15 fot bred cylinder som sitter i ett vattenbad under marknivå. Den kan producera 77 megawatt el som kan driva 60,000 2029 hem. Målet är att vara igång i Idaho XNUMX.

För det tredje har den medicinska institutionen en genombrott vid behandling av vissa cancerformer. Metoden tar ut T-celler, som är en del av immunsystemet som bekämpar cancer, ur kroppen för att genetiskt modifiera dem, med hjälp av CRISPR-tekniken, och sedan återinjicera dem i kroppen som en "levande drog". Med hjälp av CRISPR kan T-cellerna finjusteras och göras mer dödliga i sin attack mot specifika cancerceller.

Dessa "hylla" T-celler kan tillverkas i stora mängder snabbt med CRISPR, istället för att behöva vänta veckor eller månader tidigare. Den 12 december 2022 tillkännagav Dr McGuirk från University of Kansas försöksresultat som var förvånansvärt bra och öppnade en ny dörr till behandling av cancer: tumörer hade krympt för 67 % av 32 patienter med lymfomcancer. 40 % av patienterna uppnådde fullständig remission. Det finns en stor entusiasm för potentialen med denna teknik för att bota många andra cancerformer.

För det fjärde är ett genombrott inom kärnfusion som är ganska häpnadsväckande.

Genombrott för kärnfusion.

Under förra seklet, fysikens största århundrade, var en av upptäckterna kärnklyvning. När en tung atom som plutonium går sönder går en liten mängd massa förlorad och återkommer som en enorm mängd energi — eftersom E = mc^2, där c är ljusets hastighet och ett mycket stort tal.

Under ett hot om att Tyskland skulle utveckla en kedjereaktionsbomb baserad på denna reaktion, hällde den amerikanska regeringen en enorm mängd medel på att bygga en fissionsbomb i Los Alamos, New Mexico, inte långt från där jag bor. Den testades i White Sands-öknen söder om Albuquerque och användes så småningom för att avsluta kriget med Japan.

Kommersiell tillämpning ledde snabbt till nätstora kärnreaktorer i olika länder. Vissa var framgångsrika – Frankrike får 70 % av sin elenergi från 56 kärnreaktorer medan USA får ungefär 20 % av sin energi från 93 kärnreaktorer.

Men framgången är orolig när fruktansvärda olyckor inträffar, som Tjernobyl, Ryssland, 1986 och Fukushima, Japan, 2011, och den ständigt närvarande oron över kärnavfallshantering i USA.

En systerkärnreaktion är när två vätekärnor tvingas smälta samman till helium genom att övervinna de frånstötande krafterna och återigen frigörs en enorm mängd energi. Detta var grunden för amerikanska vätebombtester i södra Stilla havet (Bikini-atollen) på 1950-talet före testförbudsavtalet 1963.

Kommersiell tillämpning av kärnfusion har eftersträvats under decennierna sedan dess. Till exempel är en strävan baserad i Sandia National Laboratories i Albuquerque, där hetladdad plasma är begränsad av elektriska fält. Tanken var att begränsa, komprimera och värma plasman (energi-in) tills vätekärnor smälter samman (energi-ut). Men energi-in var alltid större än energi-ut.

En annan kommersiell ansökan var vid Lawrence Livermore Laboratory i San Francisco Bay-området i Kalifornien. Här 192 lasrar användes att begränsa, komprimera och värma plasman genom att spränga en 1 miljon dollar pellet av blandade väteisotoper. Resultaten var alltid desamma – fram till nu. Tillkännagavs i veckan som slutade den 16 december 2022, energi-ut (3.1 megajoule) var mer än energi-in (2.1 megajoule) för första gången. Det är ett genuint genombrott. Den uppnådda temperaturen var 3 miljoner grader C.

Att sätta detta i perspektiv.

För det första är energi-in kontra energi-out för enkel, eftersom för att starta lasrarna kräver mycket mer energi: 400 megajoule. Se ref 1.

För det andra handlade framgångssagan om bara en händelse – en fusionständning. Att vara i närheten av praktiskt skulle kräva många, många fusionshändelser per minut, och skulle behöva en laser som är tusentals gånger kraftfullare. Plus att kostnaden måste vara en miljon gånger billigare (Ref 1). Med ett ord, den här framgången, även om den är inspirerande, är inte i närheten av att ens föreställa sig praktisk tillämpning.

Så det är inte billigt och det är inte praktiskt, men det skulle producera högintensiv energi och det skulle vara kolfritt.

Kärnklyvningsenergi är en miljon gånger mer kraftfull än någon annan energikälla på jorden. Och detta är en stor anledning till att investeringar har gjorts i länder som Frankrike och USA för att bygga dussintals kärnkraftverk.

Kärnfusion skapar 3-4 gånger mer energi än kärnklyvning. Det är en del av drömmen. En annan del av fusionsdrömmen är att det inte finns några kärnavfallsprodukter att göra sig av – avfallsprodukter som kan ta hundratals eller tusentals år att förfalla. En tredje del är att fusion inte är en kedjereaktion, så risken för skenande kärnreaktioner och explosioner är obefintlig.

Eftersom att generera el står för ungefär en tredjedel av de globala utsläppen av växthusgaser, är den sista delen av drömmen kärnfusionsanläggningar spridda över ett land för att tillhandahålla högintensiv kolfri elektrisk energi.

Men kom ihåg, det är bara en dröm. Trots dess fördelar kommer kolfri kärnfusion inte att sätta olje- och gasindustrin ur drift 2050 och kanske inte ens 2100.

Takeaways.

Mänskligheten har kopierat solens ljus- och värmekälla. Vid cirka 15 miljoner grader C komprimeras solens gasformiga inre under ett enormt tryck – en tesked väger 750 g eller 1.65 lb. För att replikera solens inre förhållanden i labbet och för att uppnå breakeven (energi-ut mer än energi-in) ) är en imponerande bedrift.

Men kärnfusion är inte i närheten av att ens föreställa sig kommersiell tillämpning.

Så varför lägger vi stora pengar på att undersöka det? För det är vad avancerade länder gör. De bygger teleskop som James Webb och installerar dem på satelliter för att studera universum. De bygger raketer för att sätta män och kvinnor på månen. De bygger magnetiska racerbanor för att accelerera protoner till ljusets hastighet innan de kraschar och avslöjar i fragmenten svårfångade subatomära partiklar som Higgs-bosonen.

Politik spelar en stor roll när det gäller att avgöra var statligt stöd och medel till vetenskap fördelas. Tack och lov, som rapporterats ovan, finns det många exempel på länder som använder vetenskap för att lösa akuta problem som gynnar mänskligheten direkt.

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