En anekdote er kjent: kjernefysisk fusjon vil være om tjue år. Vil alltid være om tjue år. Denne vitsen, som nå ikke lenger er morsom, vokste ut av optimismen til forskere som på 50-tallet (og i hvert påfølgende tiår) trodde at atomfusjon bare var 20 år unna. Nå er denne anekdoten tatt på alvor av en oppstart fra MIT (Massachusetts Institute of Technology), en høyt respektert og velkjent institusjon: Commonwealth Fusion Technologies. Oppstarten lover å lansere en fungerende atomfusjonsreaktor om 15 år. Lover billig, ren og ubegrenset energi som vil løse alt fossilt brensel og klimaendringskriser. Så de sier: "en potensielt uuttømmelig og karbonfri energikilde."
Eneste problemet: vi har hørt dette mange ganger før. Hva er annerledes denne gangen?
En annen berømt klisjé angår fusjonens energi. Ideen er enkel: du legger solen i en flaske. Det eneste som gjenstår er å bygge en flaske. Fusjonsenergien styrker stjernene, men den krever utrolig varme og tette forhold for at plasmaet skal fungere.
En enorm mengde energi kan frigjøres når to lette kjerner smelter sammen: deuterium-tritium-fusjonen, som utføres som en del av ITER-eksperimentet, avgir 17,6 MeV per reaksjon, en million ganger mer energi per molekyl enn du får fra eksplosjonen av TNT. Men for å frigjøre denne energien, må du overvinne den kraftige elektrostatiske frastøtningen mellom kjernene, som begge er positivt ladet. Det sterke samspillet på korte avstander fører til en fusjon som frigjør all denne energien, men kjernene må bringes veldig nærme - på femtometre. I stjerner skjer dette av seg selv på grunn av det kolossale tyngdekravet på materialet, men på jorden er dette vanskeligere.
Først må du prøve å finne materialer som vil overleve etter eksponering for temperaturer på hundrevis av millioner grader.
Plasma består av ladede partikler; materie og elektroner blir vasket bort. Det kan inneholdes av et magnetfelt som bretter plasmaet i en sirkel. Manipulasjoner med magnetfeltet gjør det også mulig å komprimere dette plasmaet. På 1950- og 1960-tallet dukket det opp en hel generasjon enheter med eksotiske navn: Stellarator, miskienatron, Z-Pinch, designet for dette. Men plasmaet de prøvde å holde var ustabilt. Plasma i seg selv genererer elektromagnetiske felt, det kan beskrives ved en veldig kompleks teori om magnetohydrodynamikk. Lite avvik eller defekter på plasmaoverflaten ble raskt ute av kontroll. Kort sagt, enhetene fungerte ikke som forutsatt.
Sovjetunionen utviklet en tokamak-enhet som ga enormt forbedret ytelse. Samtidig ble en laser oppfunnet, noe som muliggjorde en ny type syntese - syntese med treghetsinnhold.
I dette tilfellet er det ikke lenger nødvendig å holde plasmaforbrenningen i magnetiske felt, det er nødvendig å komprimere det ved en eksplosjon ved hjelp av lasere på kort tid. Men eksperimenter med inertial innesperring led også av ustabiliteter. De har kjørt siden 1970-tallet og kan kanskje en dag komme seg, men den største hittil, National Ignition Laboratory i Livermore, California, har aldri nådd et break-even-punkt der mer energi vil bli produsert enn brukt.
Salgsfremmende video:
Mye av håpet er med ITER, verdens største magnetiske inneslutningssammeltokamak, som fremdeles er under bygging.
Prosjektutviklerne håper å antenne plasmaet innen 20 minutter for å generere 500 MW strøm med en nominell inngang på 50 MW. Full fusjonseksperimenter er planlagt for 2035, men problemer med internasjonalt samarbeid mellom USA, USSR (den gang fremdeles), Japan og Europa har ført til lange forsinkelser og budsjettstrekk. Prosjektet er 12 år forsinket og koster 13 milliarder dollar. Dette er ikke uvanlig at prosjekter som krever enorme installasjoner skal bygges.
I følge ITER-planen skulle den første termonukleære fusjonsreaktoren, som skal fungere som et kraftverk, tenne og støtte fusjon, DEMO, komme i drift i 2040 eller til og med 2050. Med andre ord kjernefusjon … om 20 år. Det er en tendens til å løse problemer med ustabilitet ved å bygge flere og flere fasiliteter. ITER vil være større enn JET, og DEMO vil være større enn ITER.
Gjennom årene har mange lag utfordret internasjonalt samarbeid med mindre design. Spørsmålet er ikke hastighet, men praktisk. Hvis det virkelig tar milliarder av dollar og titalls år å bygge en fusjonsreaktor, vil det da være verdt det i det hele tatt? Hvem skal betale for byggingen? Kanskje når en fungerende tokamak bygges, vil kombinasjonen av solcellepaneler og nye batterier gi oss energi som vil være billigere enn den som er laget på tokamak. Noen prosjekter - til og med den beryktede "kald fusjon" - viste seg å være falske eller ikke fungerer.
Andre fortjener mer oppmerksomhet. Oppstart med nye fusjonsreaktordesign - eller i noen tilfeller reviderte versjoner av eldre forsøk.
Tri Alpha forventer å kollidere plasmaskyer i en struktur som minner om Large Hadron Collider, og deretter holde det syntetiserende plasmaet i et magnetfelt lenge nok til å bryte jevn og generere kraft. De klarte å oppnå de nødvendige temperaturene og plasma-inneslutningen på noen få millisekunder, og samlet også mer enn 500 millioner dollar i risikokapital.
Lockheed Martin Skunk Works, kjent for sine hemmelige prosjekter, gjorde en sprut i 2013 ved å kunngjøre at de arbeidet med en kompakt, 100 MW fusjonsreaktor på størrelse med en jetmotor. På den tiden uttalte de at prototypen ville være klar om fem år. De avslørte selvfølgelig ikke designdetaljer. I 2016 ble det bekreftet at prosjektet mottar finansiering, men mange har allerede mistet troen og fått skepsis.
Og på bakgrunn av all denne skam, sprengte MIT-forskere i ringen. Bob Mumgaard, administrerende direktør i Commonwealth Fusion Energy, sa:”Vi er opptatt av å få en arbeidsstasjon i tide for å bekjempe klimaendringer. Vi tror at vitenskapen, hastigheten og skaleringen av prosjektet vil ta femten år."
MITs nye prosjekt holder seg til tokamak-designet, slik det har gjort tidligere. SPARC-enheten er ment å produsere 100 MW energi i 10 sekunders inneslutningspulser. Det har allerede vært mulig å hente energi fra pulser før, men break-even-punktet er det som virkelig tiltrekker forskere.
En spesiell saus i dette tilfellet er de nye høy-temperatur superledende magneter laget av yttrium-barium-kobberoksyd. Tatt i betraktning at HTSM kan lage kraftigere magnetfelt ved samme temperatur som konvensjonelle magneter, kan det være mulig å komprimere plasma med en lavere inngangseffekt, en lavere magnetisk enhet, og oppnå syntese-forhold i en enhet som er 65 ganger mindre enn ITER. Det er planen, uansett. De håper å lage superledende magneter i løpet av de neste tre årene.
Forskere er optimistiske: "Vår strategi er å bruke konservativ fysikk basert på tiår med arbeid hos MIT og andre steder," sa Martin Greenwald, assisterende direktør for Center for Plasma Science and Fusion ved MIT. "Hvis SPARC oppnår den forventede ytelsen, dikterer instinktet mitt at det kan skaleres opp til et virkelig kraftverk."
Det er mange andre prosjekter og oppstart som på samme måte lover å omgå alle slags tokamakker og internasjonale samarbeidsbudsjetter. Det er vanskelig å si om noen av dem vil finne den hemmelige ingrediensen for syntesen, eller om ITER, med sin vekt i det vitenskapelige samfunnet og støtten fra land, vil vinne. Det er fremdeles vanskelig å si når og om fusjon vil bli den beste energikilden. Syntese er vanskelig. Slik viser historien.
Ilya Khel
