Slutligen tar Fusion små steg mot verkligheten

Efter tre decennier av dyr statligt finansierad forskning som misslyckats med att skapa påtagliga genombrott, har kärnfusion gått från en lovande källa till effektivt obegränsad makt till något mer som en punch line.

Under det senaste året har det dock börjat förändras. Flera privatfinansierade företag och små universitetsbaserade forskargrupper som strävar efter nya fusionsreaktorkonstruktioner har levererat lovande resultat som kan förkorta tidslinjen för att producera en prototypmaskin från årtionden till flera år. Kommersiell kraftproduktion från fusion är fortfarande långt kvar, men konturerna av en sådan reaktor kan nu uppfattas.

Traditionell fusionsforskning har fokuserat på stora, munkformade maskiner som kallas tokamaks, som utövar kraftfulla magnetfält för att komprimera högtemperaturplasma - rullande bollar av laddade partiklar som smälter samman för att bilda helium och frigör stora mängder energi i processen. Utmaningen är att innehålla den heta plasman och hålla den stabil; dagens fusionsreaktorer, såsom den vid Internationell termonukleär experimentreaktor (ITER) projekt i södra Frankrike, använd gigantiska spolar av elektromagneter som förbrukar mycket mer energi än vad maskinen faktiskt producerar. ITER (uttalas ätare), som drar forskare och finansiering från Kina, EU, Indien, Ryssland, Japan, Sydkorea och USA, beräknas kosta dussintals miljarder dollar för att producera en fungerande reaktor någon gång på 2030-talet . Kanske.

Två nya utvecklingar, som erbjuder nya och snabbare vägar till energiproducerande fusionsreaktorer, har stimulerat fusionsgemenskapen. Tri Alpha Energy, baserat i Foothill Ranch, Kalifornien, sa i början av augusti att man har lyckats hålla ett högenergiplasma stabilt i fem millisekunder – mycket mindre än ett ögonblick, men en halv evighet på skalan av fusionsreaktioner , enligt chief technology officer Michl Binderbauer.

Tri Alpha, säger Binderbauer, tar med principerna för högenergipartikelacceleratorer, såsom Large Hadron Collider, till problem med fusionsreaktorer. Specifikt har teamet byggt en enhet, 23 meter lång, som skjuter två moln av plasma mot varandra för att bilda en ring av plasma. Det magnetiska fältet som håller ihop ringen genereras av själva plasmat - en teknik som kallas en fältomvänd konfiguration. Plasman upprätthålls av insprutning av högenergipartiklar från acceleratorer.

Utmaningen för Tri Alphas design, säger Binderbauer, är tillräckligt varm och tillräckligt lång – att hålla plasman stabil vid en tillräckligt hög temperatur för att uppnå energipositiv fusion. Det senaste experimentet indikerade att företaget – som har attraherat miljontals dollar i finansiering från investerare inklusive Goldman Sachs och Vulcan, investeringsfonden till Microsofts grundare Paul Allen – har löst problemet länge nog. Att göra plasman tillräckligt varm är nästa viktiga utmaning. Nästa år kommer Tri Alpha att börja bygga en ny och kraftfullare version av sin experimentella enhet för att testa processen vid högre temperaturer.

På MIT Plasma Science and Fusion Center , en grupp som leds av Dennis Whyte, professor i kärnvetenskap och teknik och centrets direktör, och doktorand Brandon Sorbom publicerade i juli en konceptuell design för en maskin som heter ARC-reaktorn (prisvärd, robust, kompakt). Det nya med ARC-designen är karaktären hos elektromagneterna som begränsar plasman. Genom att använda nyligen utvecklade, flexibla supraledande tejper gjorda av bariumkopparoxid av sällsynt jordartsmetall kan ARC-reaktorn uppnå magnetfält med mycket högre amplitud – vilket möjliggör en reaktorkonstruktion som är mycket mindre än andra tokamak-baserade maskiner. Forskarna föreställer sig också en vätskefilt som omger plasman som kommer att absorbera neutroner utan att skadas och ge ett effektivt värmeväxlingsmedium för att producera elektricitet.

Att öka amplituden på det omgivande magnetfältet höjer mängden fusionskraft som produceras i plasman till den fjärde styrkan - en dramatisk ökning som kan leda till en kommersiell prototyp inom några år, enligt Whyte.

Det är välkänt att du kan göra mycket kompakta enheter om du höjer magnetfältet till mycket höga nivåer, säger han, men elektromagneterna måste vara koppar - ingen supraledare kunde tolerera det magnetfältet. Nu kan tillkomsten av avancerade supraledarband möjliggöra en kompakt reaktor som producerar fusion kontinuerligt.

Publicerad i Fusionsteknik och design , ARC reaktorpapper betonar att det för tillfället endast är en konceptuell design. Whyte hoppas kunna attrahera finansiering för att bygga en experimentell maskin under de närmaste åren. Under tiden en koppling av privata företag, inklusive inte bara Tri Alpha, utan också Tokamak energi , baserad i England och Vancouver-baserad General Fusion , arbetar på relaterade men olika design för att få fusion till prototypstadiet (se A New Approach to Fusion).

Vi närmar oss fungerande maskiner, säger Michel Laberge, grundare och chefsforskare på General Fusion. Under många år var fusionsforskning sfären för stora statliga laboratorier som gjorde ett fantastiskt arbete och lade grunden för att fusion skulle fungera. Men det var ingen stor känsla av brådska.

Nu har brådskan ökat, och dessa företag testar nya idéer och nya tillvägagångssätt – och lockar investeringarna att göra det. General Fusion landade nyligen 27 miljoner dollar i ny finansiering från en grupp investerare ledda av Malaysias suveräna förmögenhetsfond.

Just nu är det som händer en omtanke, säger Burton Richter , som vann Nobelpriset i fysik 1976 och är rådgivare till Tri Alpha. Budgetnedskärningar på 1990-talet tvingade fram stängningen av alternativa tillvägagångssätt utanför ITER och det amerikanska energidepartementets nationella tändningsanläggning. Företag som Tri Alpha erbjuder en väg till fusion banad inte med skattebetalarnas pengar utan med pengar från den privata sektorn – vilket i slutändan är det enda sättet att faktiskt få något byggt.

Jonathan Menard, en plasmafysiker vid Princeton Plasma Physics Laboratory, leder Nationellt sfäriskt torusexperiment , som jagar en tokamak formad som en badboll istället för en munk. Menard, vars eget program nyligen slutförde en uppgradering på 94 miljoner dollar av sin experimentmaskin, har noga följt utvecklingen med Tri Alpha och ARC ansträngningar och anser att dessa innovationer bör drivas vidare.

Med försiktighet från en erfaren fusionsforskare råder han dock att vara försiktig: tills du bygger det vet du inte säkert.

Dölj