Ett nytt förhållningssätt till fusion

General Fusion , en startup i Vancouver, Kanada, säger att den kan bygga en prototyp av fusionskraftverk inom det kommande decenniet och göra det för mindre än en miljard dollar. Hittills har det samlat in 13,5 miljoner dollar från offentliga och privata investerare för att hjälpa till att starta sin ambitiösa insats.

Kraftkolvar: General Fusions reaktor är en metallkula med 220 pneumatiska kolvar utformade för att trycka på dess yta samtidigt. Ramningen skapar en akustisk våg som färdas genom en bly-litiumvätska och så småningom accelererar mot mitten till en stötvåg. Stötvågen komprimerar ett plasmamål, kallat sfäromak, för att utlösa en fusionsburst. Den termiska energin utvinns med en värmeväxlare och används för att skapa ånga för elproduktion. För att producera kraft skulle processen upprepas varje sekund.

Till skillnad från 14 miljarder dollar ITER Projekt som pågår i Frankrike, är General Fusions tillvägagångssätt inte beroende av dyra supraledande magneter – kallade tokamaks – för att innehålla den överhettade plasman som krävs för att uppnå och upprätthålla en fusionsreaktion. Inte heller kräver företaget kraftfulla lasrar, såsom de inom Nationell tändningsanläggning vid Lawrence Livermore National Laboratory, för att begränsa ett plasmamål och komprimera det till extrema temperaturer tills fusion inträffar.

Istället säger General Fusion att den kan uppnå nettovinst – det vill säga skapa en fusionsreaktion som avger mer energi än vad som behövs för att utlösa den – genom att använda relativt lågteknologisk, mekanisk råkraft och avancerad digital styrteknik som forskare bara kunde drömma om 30 år sedan.

Det kan tyckas osannolikt, men några av de främsta amerikanska fusionsexperterna säger General Fusions tillvägagångssätt, som är en variant på vad industrin kallar magnetiserad målfusion , är vetenskapligt välgrundad och skulle faktiskt kunna fungera. Det är ett långt försök, säger de, men väl värt ett försök.

Jag hejar på dem, säger Ken Fowler , professor emeritus i kärnteknik och plasmafysik vid University of California, Berkeley, och en ledande auktoritet inom fusionsreaktorkonstruktioner. Han har analyserat tillvägagångssättet och hittat inga tekniska showstoppers. Kanske kan de här killarna göra det. Det är verkligen tur i dragningen.

Prototypreaktorn kommer att bestå av en metallsfär som är cirka tre meter i diameter som innehåller en flytande blandning av litium och bly. Vätskan snurras för att skapa en virvel inuti sfären som bildar en vertikal hålighet i mitten. Vid denna tidpunkt injiceras två munkformade plasmaringar som hålls samman av självgenererade magnetfält, kallade sfäromaks, i håligheten från toppen och botten av sfären och samlas för att skapa ett mål i mitten. Tänk på det som att man blåser rökringar mot varandra, säger Doug Richardson, vd för General Fusion.

På utsidan av metallsfären finns 220 pneumatiskt styrda kolvar, var och en programmerad att samtidigt ramla sfärens yta med 100 meter per sekund. Kolvarnas kraft skickar en akustisk våg genom bly-litiumblandningen, och som accelererar till en stötvåg när den når plasman, som är gjord av väteisotoperna deuterium och tritium.

Om allt fungerar som planerat kommer plasman att komprimeras omedelbart och isotoperna kommer att smälta samman till helium, vilket frigör en explosion av energifyllda neutroner som fångas upp av bly-litiumvätskan. Den snabba värmeuppbyggnaden i vätskan kommer att extraheras genom en värmeväxlare, varvid hälften används för att skapa ånga som snurrar en turbin för kraftgenerering, och resten används för att ladda kolvarna för nästa skott.

Det slutliga målet är att injicera ett nytt plasmamål och avfyra kolvarna varje sekund, vilket skapar pulser av fusionsreaktioner som en del av en självuppehållande process. Detta står i kontrast till ITER, som syftar till att skapa en enda fusionsreaktion som kan upprätthålla sig själv. En av de stora riskerna med projektet är att ingen tidigare har komprimerat sfäromak till fusionsrelevanta förhållanden, säger Richardson. Det finns ingen anledning till varför det inte kommer att fungera, men ingen har någonsin bevisat det.

Han säger att det ser längre ut än väntat samla in pengarna för prototypprojektet, men företaget kan nu påbörja den första fasen av att bygga testreaktorn, inklusive utveckling av 3D-simuleringar och teknisk verifiering av komponenter. General Fusion siktar på att färdigställa reaktorn och visa nettovinst inom fem år, förutsatt att den kan samla in ytterligare 37 miljoner dollar.

Om det lyckas, tror det att det kan bygga en nätkapabel fusionsreaktor med en kapacitet på 100 megawatt fyra år senare för cirka 500 miljoner dollar, vilket slår ITER med cirka 20 år och till en bråkdel av kostnaden.

Jag brukar missa de här konstiga idéerna som passerar min väg, men den här fascinerade mig verkligen, säger Fowler. Han konstaterar att det finns enorma utmaningar att övervinna, men kulturen hos en privat startup kan vara vad som krävs för att ta itu med dem med en känsla av brådska. I de stora programmen, särskilt fusionsprogrammen, har människor fått så mycket stryk att de har blivit så riskabla.

General Fusions grundläggande tillvägagångssätt är inte helt nytt. Den bygger på arbete som utfördes under 1980-talet av U.S. Naval Research Laboratory, baserat på ett koncept som heter Linus. Problemet var att forskare inte kunde ta reda på ett tillräckligt snabbt sätt att komprimera plasman innan den förlorade sin munkformade magnetiska inneslutning, ett möjlighetsfönster mätt i millisekunder. Precis som rökringar behåller plasmaringarna sin form endast ett ögonblick innan de sprids.

Kärnforskningsjätten General Atomics kom senare på idén att snabbt komprimera plasmat med hjälp av en mekanisk ramprocess som skapar akustiska vågor. Men företaget följde aldrig igenom – troligtvis eftersom tekniken för att exakt kontrollera hastigheten och den samtidiga utlösningen av tryckluftskolvarna helt enkelt inte existerade för två decennier sedan.

Richardson säger att höghastighets digital bearbetning är lätt tillgänglig idag, och General Fusions uppdrag under de kommande två till fyra åren är att bevisa att den kan göra jobbet. Innan man bygger en fullt fungerande reaktor med 220 kolvar på en metallsfär, kommer företaget först att verifiera att mindre ringar med 24 kolvar kan synkroniseras för att träffa ett yttre metallhölje.

Glen var , programledare för fusionsenergivetenskaper vid Los Alamos National Laboratory och expert på magnetiserad målfusion, säger General Fusion har en utmanande väg framför sig och många frågor att besvara definitivt. Kan de producera sfäromak med rätt densiteter, temperatur och livslängd? Kan de injicera två sfäromaker i motsatta ändar av virvelhålan och se till att de kolliderar och smälter samman? Kommer de akustiska vågorna att färdas jämnt genom den flytande metallen?

Du kan göra en hel del av det genom simuleringar, men inte allt, säger Wurden. Allt detta är mycket komplext, toppmodernt arbete. Problemet är att du har att göra med olika tidsskalor och olika effekter på material när de utsätts för stötvågor.

Los Alamos och General Fusion samarbetar som en del av ett nyligen undertecknat forskningsavtal . Men Richardson planerar inte på en smidig resa. Projektet har många risker, säger han, och vi förväntar oss att det mesta inte kommer att fungera exakt som förväntat. Men om företaget kan dra av sin testreaktor, hoppas det få tillräckligt med uppmärksamhet för att enkelt kunna samla in 500 miljoner dollar för ett demonstrationskraftverk.

Säger Fowler, mirakel händer.

Dölj