National Lab ปลดล็อกนิวเคลียร์ฟิวชั่น — ความก้าวหน้าที่แท้จริง ความแปลกใหม่ หรือทั้งสองอย่าง?

Nยูเคลียร์ฟิวชันเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ของพลังงานสะอาดอย่างแท้จริงมาช้านาน การแตกตัวของอะตอมไฮโดรเจนให้พลังงานไฟฟ้าที่ไร้ขีดจำกัดพร้อมการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ กากกัมมันตภาพรังสีน้อยที่สุด และโอกาสการหลอมละลายของหายนะเป็นศูนย์ แต่ในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ฟิวชันถูกจำกัดด้วยพลังของเลเซอร์และความแรงของสนามแม่เหล็ก ซึ่งไม่เคยคิดมาก่อนว่าจะรีดเอาพลังงานจากอะตอมที่แตกออกมาให้ออกมาในปริมาณที่มากกว่าที่เคยใส่ไว้จนถึงตอนนี้

วันนี้นักวิทยาศาสตร์ที่ สถานที่จุดระเบิดแห่งชาติ ที่ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์ลิเวอร์มอร์ (LLNL) ในแคลิฟอร์เนียจะเปิดเผยว่าในต้นเดือนธันวาคม เป็นครั้งแรกที่พวกเขาได้รับพลังงานมากกว่า 1 นั่นคือพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาภายในแคปซูลเชื้อเพลิงดิวเทอเรียม-ทริเทียม (2,000 เมกะจูล) ของพวกเขา (XNUMX เมกะจูล) นั้นเป็นครั้งแรก กว่าที่มีอยู่ใน 192 เลเซอร์ ที่พวกเขาทำลายมันด้วย

Debra Callahan นักฟิสิกส์พลาสมาที่เพิ่งออกจากทีมฟิวชันของ LLNL ไปเป็นผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์กล่าวว่าเป็นเรื่องใหญ่ที่ควรค่าแก่การเฉลิมฉลอง เน้นพลังงานซึ่งกำลังดำเนินการเพื่อนำวิธีการนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์

สิทธิชัยรู้ว่า LLNL จะได้รับพลังงานสุทธิหลังจากปีที่แล้วพวกเขาผลิตพลังงานได้ถึง 72% ของพลังงานเลเซอร์ที่ป้อนเข้า “มันไม่น่าแปลกใจสำหรับฉัน ให้ เส้นทางแห่งผลลัพธ์ที่เราได้เห็นมันกำลังจะเกิดขึ้น” เธอกล่าว พวกเขาต้องการพลังงานเลเซอร์เพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย แล้วมันทำงานอย่างไร? ลองนึกภาพกระบอกกลวงเล็กๆ ที่ทำจากทองคำขนาดพอดีมือ ที่เรียกว่า โฮลราอุม. ภายในโฮลเรามมีแคปซูลเชื้อเพลิงขนาดเล็กอยู่ภายในซึ่งมีอะตอมของดิวทีเรียมและทริเทียม

พวกเขาใช้ทองคำเพราะกักเก็บรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อพวกเขาระเบิดปลายโฮลเราม์ด้านใดด้านหนึ่งด้วยเลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก 173 ตัว Callahan กล่าวว่า "มันเหมือนกับเตาอบเอ็กซเรย์" ซึ่งจะบีบอัดเชื้อเพลิงมากจนระเบิดและจุดประกายการหลอมรวมระหว่างอะตอมที่ใจกลางแคปซูล จากนั้นฟิวชันจะแผ่ออกเป็นคลื่นจากจุดศูนย์กลาง ปล่อยความร้อนมหาศาลออกมา ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในหนึ่งพันล้านวินาที

ทำไมสิทธิชัยถึงออกจาก LLNL เมื่อพวกเขาอยู่บนจุดสูงสุดของความสำเร็จ? เพราะเธอกล่าวว่า National Ignition Facility ไม่ใช่เครื่องหลอมรวม Hohlraum นั้นยอดเยี่ยมสำหรับการสาธิตการจุดระเบิด แต่ไม่จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับการฟิวชั่นพัลซิ่งอย่างต่อเนื่องทางวิศวกรรม เนื่องจากพลังงานเลเซอร์ที่เหลืออยู่จำนวนมากสูญเสียไปในการทำให้ทองคำร้อนขึ้นแทนที่จะเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ดังนั้นที่ Focused Energy (สนับสนุนโดย ไพรม์มูฟเวอร์สแล็บ และ ใหม่ Enterprise Associates) แผนของพวกเขาคือทิ้ง hohlraum และใช้วิธี "ขับตรง" แทน - ยิงเลเซอร์ลงบนแคปซูลเชื้อเพลิงโดยตรง (ดูแผนผัง)

พวกเขายังไม่ได้แสดงให้เห็นว่ามันได้ผล แต่ Callahan มั่นใจว่าในอีกไม่กี่ปี โครงการนำร่องของพวกเขาจะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น 10 เท่า ซึ่งจะตามมาด้วยโรงงานแห่งที่สองที่ได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น 30 เท่า ตามมาด้วยโรงงานแห่งที่สองในปลายปี 2030 ที่จะเป็นเครื่องกำเนิดเชิงพาณิชย์แห่งแรก โดยหวังว่าจะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น 100 เท่า และระเบิดแคปซูลเชื้อเพลิง 10 แคปซูลทุกวินาที

แต่มีความท้าทายเป็นพิเศษ ที่ 10 ต่อวินาที เครื่องของพวกเขาจะใช้เกือบ 900,000 แคปซูลต่อวัน นี่ไม่ใช่การโกยถ่านหินเข้าไปในเตาเผา แต่ละแคปซูลจะต้องได้รับการผลิตตามมาตรฐานที่เข้มงวดและยิงเข้าเครื่องในเวลาที่เหมาะสม

***

เป็นจริงหรือไม่? คู่แข่งฟิวชั่นบางคนไม่คิดอย่างนั้น General Fusion เป็นบริษัทฟิวชั่นในแวนคูเวอร์ ประเทศแคนาดา ซึ่งเพิ่งประกาศความสำเร็จครั้งสำคัญของบริษัทไปเมื่อวานนี้ วิธีการของมันเรียกว่าฟิวชั่นเป้าหมายแม่เหล็กและเกี่ยวข้องกับเครื่องจักรที่พวกเขาฉีดลูกบอลไฮโดรเจนพลาสม่าเข้าไปในเครื่องและใช้แม่เหล็กอันทรงพลังเพื่อจับมันไว้ในขณะที่บีบอัดด้วยลูกสูบเชิงกลแทนที่จะเป็นเลเซอร์ Greg Twinney ซีอีโอคาดว่าโรงงานต้นแบบ General Fusion จะสร้างในสหราชอาณาจักรเพื่อแสดงการหลอมรวมในปี 2027 พร้อมการออกแบบเชิงพาณิชย์ในต้นปี 2030 “เมื่อเราเห็นข่าวเช่นนี้ เราไม่แปลกใจเลย” เขากล่าว แต่วิธีการของ LLNL ไม่สามารถสรุปเป็นโรงงานฟิวชั่นที่ใช้งานได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ General Fusion (สนับสนุนโดย $300 ล้านจาก Jeff Bezos, Shopifyแหล่งช้อปปิ้ง
CEO Tobias Lutke และ Temasek และอื่นๆ) ตั้งใจที่จะทำตั้งแต่เริ่มต้น “ทุกสิ่งที่เราทำมุ่งเน้นไปที่โรงไฟฟ้าเชิงพาณิชย์” เขากล่าว “ถ้ามันได้ผลในการทดลองวิทยาศาสตร์แต่ไม่ได้ทำในเชิงพาณิชย์ เราก็ไม่สนใจสิ่งนั้น”

ข่าว LLNL สร้างการตอบสนองที่คล้ายกันจาก CEO David Kirtley จากสตาร์ทอัพฟิวชั่นในซีแอตเทิล เฮลิออนซึ่งได้รับการสนับสนุนโดย 600 ล้านดอลลาร์จากเจ้าพ่อเทคโนโลยีอย่าง Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman และ Jeff Skoll Kirtley กล่าวว่า "เรารู้สึกตื่นเต้นที่พวกเขาบรรลุเป้าหมายสำคัญทางวิทยาศาสตร์สำหรับเครื่องจักรของพวกเขา แต่เขาไม่รู้สึกว่าถูกคุกคามจาก “อุปกรณ์วิจัยที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อผลิตไฟฟ้า” ในทางตรงกันข้าม การทำงานของเครื่องฟิวชั่นยาว 60 ฟุตของ Helion เกี่ยวข้องกับการฉีดพลาสมาบอลที่ปลายแต่ละด้าน และชนเข้าด้วยกันด้วยปฏิกิริยา 100 ล้านองศาที่ควบคุมโดยสนามแม่เหล็กที่รุนแรง ในระบบใหม่ของ Helion พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาฟิวชันจะผลักออกมาอย่างต่อเนื่องกับสนามแม่เหล็กของมัน ซึ่งผลักกลับ ทำให้เกิดการแกว่ง "เหมือนลูกสูบ" Kirtley กล่าว ซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้า ซึ่ง Helion จับโดยตรงจากเครื่องปฏิกรณ์ (อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์.)

Helion กำลังสร้างต้นแบบเครื่องที่ 7 และออกแบบเครื่องที่ 8 ซึ่ง Kirtley หวังว่าจะเป็นเครื่องกำเนิดฟิวชันเชิงพาณิชย์เครื่องแรก — อาจเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าภายในสิ้นทศวรรษนี้ หากทุกอย่างเป็นไปได้ด้วยดี เขากล่าวว่าหน่วยงานกำกับดูแลด้านนิวเคลียร์ของรัฐบาลกลางดูเหมือนจะกำหนดให้เครื่องของพวกเขาอยู่ภายใต้กฎเดียวกันกับเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องสร้างภาพที่ใช้ในโรงพยาบาล

และมีบริษัทอื่นๆ มากมายที่ดำเนินตามแนวทางที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในการหลอมรวม นั่นคือ เมก แนวคิดที่ลูกบอลพลาสมาถูกฉีดเข้าไปในห้องเครื่องปฏิกรณ์ที่มีรูปร่างเหมือนโดนัทกลวง ซึ่งควบคุมโดยสนามแม่เหล็กอันทรงพลัง เครือจักรภพฟิวชั่นซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ MIT กำลังพยายามทำให้โทคามักสมบูรณ์แบบโดยใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ ซึ่ง CEO Bob Mumgaard คิดว่าจะช่วยให้พวกเขามีอุปกรณ์ฟิวชันที่ใช้งานได้ภายในสิ้นทศวรรษนี้ เช่นเดียวกับ General Atomics ในซานดิเอโก (รู้จักกันดี สำหรับการประดิษฐ์โดรน Predator) ซึ่งดำเนินการ tokamak ให้กับกระทรวงพลังงานมานานหลายทศวรรษ และกำลังออกแบบเครื่องจักรใหม่ GA ยังได้สร้างแม่เหล็กที่ทรงพลังที่สุดในโลก ซึ่งเรียกว่าโซลินอยด์กลาง สำหรับโครงการฟิวชันที่ใหญ่ที่สุดในโลก ITER มูลค่า 30 หมื่นล้านดอลลาร์ กำลังก่อสร้างในฝรั่งเศส หากสตาร์ทอัพฟิวชันรายอื่นๆ มีวิธี ITER จะล้าสมัยก่อนที่จะเสร็จสมบูรณ์ในทศวรรษหน้าด้วยซ้ำ การกระจายการเดิมพัน GA (เจ้าของมหาเศรษฐี Neal Blue) มีความร่วมมือกับ Savannah River National Lab เพื่อผลิตเม็ดเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องฟิวชั่นที่ใช้เลเซอร์เช่น LLNR และ Focused Energy

ใครก็ตามที่คุณพูดคุยด้วยในสนามฟิวชัน การวิพากษ์วิจารณ์เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิชชันที่มีมายาวนานก็เหมือนกัน ปฏิกิริยาฟิชชัน (ซึ่งอะตอมขนาดใหญ่ของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะแตกตัวออกจากกัน) ทำให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสี รวมทั้งพลูโทเนียมและแอกทิไนด์ที่เป็นอันตรายซึ่งสามารถนำไปสร้างเป็นอาวุธได้ ซึ่งแตกต่างจากฟิวชันซึ่งเริ่มต้นยากและหยุดง่าย ปฏิกิริยาฟิชชันเริ่มต้นได้ง่ายและหยุดยาก ทำให้เกิดความเสี่ยงที่จะเกิดการหลอมละลายอย่างรุนแรง การออกแบบที่ใหม่กว่าเช่น เวสติ้งเฮาส์ เอพี 1000 เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันซึ่งอยู่ระหว่างการก่อสร้างทั้งในสหรัฐอเมริกาและจีน มีมาตรการความปลอดภัยแบบพาสซีฟและเป็นเครื่องพิสูจน์การหลอมละลาย

***

ผู้ประกอบการปรมาณูบางคนคิดว่าฟิชชันเพียงพอแล้ว Bret Kugelmass ผู้ก่อตั้งและซีอีโอของ พลังงานสุดท้ายซึ่งตั้งเป้าหมายไว้เมื่อ 36 ปีที่แล้วเพื่อประดิษฐ์เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพและประหยัดที่สุดในโลก ก่อนที่จะตกลงปลงใจกับแนวทางของเขา Kugelmass ซึ่งปัจจุบันอายุ XNUMX ปี ได้สัมภาษณ์ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์หลายร้อยคน ไททันส์ของพอดคาสต์นิวเคลียร์) เพื่อรวบรวมภูมิปัญญาโดยรวมของอุตสาหกรรม แม้ว่าเขาจะมีความเชื่อในอนาคตระยะยาวของการหลอมรวม แต่ Kugelmass ก็ตัดสินใจว่าทางออกที่ดีที่สุดในโลกสำหรับการเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลคือการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันแบบโมดูลาร์ด้วยวิธีที่ง่ายที่สุด ถูกที่สุด และปลอดภัยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ที่โรงงานใกล้เมืองฮูสตัน ขณะนี้ Last Energy กำลังผลิตเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันแบบโมดูลาร์ขนาดเล็กเครื่องแรก ซึ่งใช้ส่วนประกอบที่หาซื้อได้ตามท้องตลาด โดยจัดหาจากห่วงโซ่อุปทานนิวเคลียร์ที่มีอยู่ ด้วยเทคโนโลยีที่สมบูรณ์แบบตลอดหลายทศวรรษและถูกนำมาใช้ในหลากหลายมากขึ้น เครื่องปฏิกรณ์มากกว่า 300 เครื่องทั่วโลก

Last Energy ขายไปแล้ว 10 หน่วยจาก 20 เมกะวัตต์ให้กับลูกค้ารายหนึ่งในโปแลนด์ อีก 24 เครื่องสำหรับโรมาเนีย และอีกจำนวนหนึ่งสำหรับอังกฤษ Kugelmass กล่าวว่าทรัพย์สินทางปัญญาของเขาไม่ได้อยู่ในองค์ประกอบที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว แต่อยู่ที่วิธีการรวมเข้าด้วยกัน จนถึงตอนนี้เขาระดมทุนได้ XNUMX ล้านเหรียญนำโดย กิกะฟันด์และคาดว่าเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในโปแลนด์จะเริ่มเดินเครื่องในปี 2025 Last Energy ทำสัญญาซื้อขายไฟฟ้าระยะยาวเพื่อให้ลูกค้าได้รับพลังงานนิวเคลียร์แบบไร้คาร์บอนเป็นเวลาหลายทศวรรษในราคาที่ต่ำกว่าราคาตลาด “เราสามารถตัดช่องที่ต้องการซึ่งไม่มีใครสนใจ” Kugelmass กล่าว “เราปิดกล่องดำการดำเนินการทั้งหมด”

แม้ว่าคำสัญญาฟิวชันจะน่าดึงดูดใจเพียงใด หาก Kugelmass มีวิธีการแข่งขันของความเป็นจริงที่เป็นที่ยอมรับ ฟิชชันที่น่าเชื่อถือก็อาจผลักไสลูกพี่ลูกน้องสุดฮิปของมันไปยังถังขยะของนักเทคโนโลยีที่เก่งกาจ — จำ Betamax, Google Glass และ New Coke ได้ไหม

เพิ่มเติมจาก FORBESเชื้อเพลิงจากมหาเศรษฐีพันล้าน นิวเคลียร์ฟิวชั่นเข้าสู่ยุคใหม่By คริสโตเฟอร์เฮลแมนเพิ่มเติมจาก FORBESนิวเคลียร์ใหม่: ยูนิคอร์นพลังงานฟิวชั่นมูลค่า 600 ล้านเหรียญสหรัฐวางแผนที่จะเอาชนะพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างไรBy คริสโตเฟอร์เฮลแมนเพิ่มเติมจาก FORBESมหาเศรษฐีผู้เงียบงันเบื้องหลังโดรน Predator ของอเมริกาที่สังหารสุไลมานีของอิหร่านBy เดนิซ คัม