Yksi anekdootti tunnetaan: ydinfuusio tapahtuu 20 vuoden kuluttua. Tulee aina kahdenkymmenen vuoden kuluttua. Tämä vitsi, joka ei enää ole hauska, kasvoi tutkijoiden optimismista, jotka 1950-luvulla (ja jokaisena seuraavana vuosikymmenenä) uskoivat ydinfuusion olevan vain 20 vuoden päässä. Nyt startup on ottanut tämän anekdootin vakavasti - kotoisin MIT: stä (Massachusetts Institute of Technology), joka on erittäin arvostettu ja kuuluisa instituutti: Commonwealth Fusion Technologies. Käynnistys lupaa käynnistää toimivan ydinfuusioreaktorin 15 vuodessa. Lupaa halpaa, puhdasta ja rajatonta energiaa, joka ratkaisee kaikki fossiilisten polttoaineiden ja ilmastonmuutoksen kriisit. Joten he sanovat: "potentiaalisesti ehtymätön ja hiilivapaa energialähde".
Ainoa ongelma: Olemme kuulleet tämän monta kertaa aiemmin. Mitä erilaista tällä kertaa?
Toinen kuuluisa klisee koskee fuusioenergiaa. Idea on yksinkertainen: laitat aurinkoon pullon. Ainoa jäljellä on rakentaa pullo. Fuusioenergia valtaa tähdet, mutta se vaatii uskomattoman kuumia ja tiheitä olosuhteita, jotta plasma toimisi.
Valtava määrä energiaa voi vapautua, kun kaksi kevyttä ydintä sulautuvat yhteen: deuterium-tritium-fuusio, joka suoritetaan osana ITER-koetta, emittoi 17,6 MeV reaktiota kohti, miljoona kertaa enemmän energiaa molekyyliä kohti kuin saat TNT: n räjähdyksestä. Mutta tämän energian vapauttamiseksi sinun on voitettava voimakas sähköstaattinen heijastus ytimien välillä, jotka molemmat ovat positiivisesti varautuneita. Vahva vuorovaikutus pienillä etäisyyksillä johtaa fuusioon, joka vapauttaa kaiken tämän energian, mutta ytimet on saatettava hyvin lähellä femtometrejä. Tähteissä tämä tapahtuu itsestään materiaalin kolossaalisen painovoimapaineen takia, mutta maan päällä tämä on vaikeampaa.
Ensin on yritettävä löytää materiaaleja, jotka selviävät satojen miljoonien celsiusasteiden altistumisen jälkeen.
Plasma koostuu varautuneista hiukkasista; aine ja elektronit pestään pois. Sitä voi pitää paikallaan magneettikenttä, joka taittaa plasman ympyrään. Manipulaatiot magneettikentällä mahdollistavat myös tämän plasman puristamisen. 1950- ja 1960-luvuilla ilmestyi kokonainen eksoottisilla nimillä varustettu laite: Stellarator, Perhapsatron, Z-Pinch, suunniteltu tätä varten. Mutta plasma, jota he yrittivät pitää, oli epävakaa. Plasma itsessään tuottaa sähkömagneettisia kenttiä, sitä voidaan kuvata erittäin monimutkaisella magnetohydrodynamiikan teorialla. Plasman pinnan pienet poikkeamat tai puutteet poistuivat nopeasti hallinnasta. Lyhyesti sanottuna, laitteet eivät toimineet suunnitellulla tavalla.
Neuvostoliitto kehitti tokamak-laitteen, joka tarjosi huomattavasti parempaa suorituskykyä. Samalla keksittiin laser, joka mahdollisti uudentyyppisen synteesin - synteesin inertiaalisella rajoituksella.
Tässä tapauksessa plasman palamista ei enää tarvitse pitää magneettikentissä, vaan on tarpeen puristaa se räjähdyksellä laserien avulla lyhyessä ajassa. Mutta kokeet inertiaalisen synnytyksen kanssa kärsivät myös epävakaudesta. Ne ovat olleet käynnissä 1970-luvulta lähtien ja saattavat joskus saada tiensä, mutta tähänastisen suurin - Kansallinen sytytyslaboratorio Livermoressa, Kalifornia - ei ole koskaan saavuttanut raja-arvopaikkaa, jossa tuotetaan enemmän energiaa kuin kulutetaan.
Mainosvideo:
Suuri osa toivosta on ITER: llä, joka on maailman suurin magneettisen synnytyksen fuusiotokamak, joka on vielä rakenteilla.
Projektin kehittäjät toivovat sytyttävän plasman 20 minuutissa 20 MW: n tehon tuottamiseksi nimellisteholla 50 MW. Täydelliset fuusiokokeet on suunniteltu vuodelle 2035, mutta Yhdysvaltojen, Neuvostoliiton (silloin vielä), Japanin ja Euroopan välisen kansainvälisen yhteistyön ongelmat johtivat pitkiin viivästyksiin ja budjetin venyttämiseen. Hanke on 12 vuotta myöhässä ja maksaa 13 miljardia dollaria. Tämä ei ole harvinaista hankkeissa, jotka vaativat valtavien asennusten rakentamista.
ITER-suunnitelman mukaan ensimmäisen lämpöydinfuusioreaktorin, joka toimii fuusiona sytyttävää ja tukevaa voimalaitosta, DEMO: n, pitäisi olla käytössä vuonna 2040 tai jopa 2050. Toisin sanoen ydinfuusio … tapahtuu 20 vuoden kuluttua. Epävakauteen liittyviä ongelmia on taipumus ratkaista rakentamalla yhä enemmän tiloja. ITER on suurempi kuin JET, ja DEMO on suurempi kuin ITER.
Vuosien mittaan monet joukkueet ovat haastaneet kansainvälisen yhteistyön pienemmillä malleilla. Kysymys ei ole nopeudesta, vaan käytännöllisyydestä. Jos fuusioreaktorin rakentaminen vie todella miljardeja dollareita ja kymmeniä vuosia, onko se ollenkaan sen arvoista? Kuka maksaa rakennuksesta? Ehkä siihen mennessä, kun toimiva tokamakki on rakennettu, aurinkopaneelien ja uusien akkujen yhdistelmä tarjoaa meille energiaa, joka on halvempaa kuin tokamakilla tehty. Jotkut projektit - jopa pahamaineinen "kylmäfuusio" - osoittautuivat väärin tai eivät toimi.
Toiset ansaitsevat enemmän huomiota. Käynnistysyritykset, joilla on uusia fuusioreaktorimalleja - tai joissain tapauksissa vanhojen yritysten uusittuja versioita.
Tri Alpha odottaa törmäävän plasmapilvien rakenteeseen, joka muistuttaa suurta hadronikoppijaa, ja pitää sitten fuusioplasman magneettikentässä riittävän kauan tasapainottuakseen ja tuottaakseen energiaa. He onnistuivat saavuttamaan vaadittavat lämpötilat ja plasmapitoisuuden muutamassa millisekunnissa, ja he keräsivät myös yli 500 miljoonaa dollaria riskipääomaa.
Salaisista projekteistaan tunnettu Lockheed Martin Skunk Works teki vuonna 2013 splashin ilmoittamalla, että he työskentelevät kompaktissa, 100 MW: n sulakereaktorissa, joka on kooltaan suihkumoottoria. Tuolloin he totesivat, että prototyyppi olisi valmis viidessä vuodessa. Tietysti he eivät paljastaneet suunnittelun yksityiskohtia. Vuonna 2016 vahvistettiin, että projekti saa rahoitusta, mutta monet ovat jo menettäneet uskonsa ja saaneet skeptisen kuvan.
Ja kaiken tämän häpeän taustalla MIT-tutkijat räjähti renkaaseen. Yhteisön fuusioenergian toimitusjohtaja Bob Mumgaard kertoi:”Olemme sitoutuneet saamaan työaseman ajoissa ilmastomuutoksen torjumiseksi. Uskomme, että projektin tiede, nopeus ja mitoitus vievät viisitoista vuotta."
MIT: n uusi projekti noudattaa tokamakin muotoilua, kuten se on aiemmin tehnyt. SPARC-laitteen oletetaan tuottavan 100 MW energiaa 10 sekunnin synnytyssykäyksissä. Energia on jo ollut mahdollista saada pulsseista aiemmin, mutta kannattavuuskohta on mikä houkuttelee tutkijoita.
Erityinen kastike on tässä tapauksessa yttrium-barium-kuparioksidista valmistetut uudet korkean lämpötilan suprajohtavat magneetit. Ottaen huomioon, että HTSM voi luoda tehokkaampia magneettikenttiä samassa lämpötilassa kuin perinteiset magneetit, voi olla mahdollista puristaa plasma pienemmällä syöttöteholla, pienemmällä magneettisella laitteella ja saavuttaa synteesiolosuhteet laitteessa, joka on 65 kertaa pienempi kuin ITER. Se on suunnitelma joka tapauksessa. He haluavat luoda suprajohtavat magneetit seuraavien kolmen vuoden aikana.
Tutkijat ovat optimistisia: "Strategiamme on käyttää konservatiivista fysiikkaa, joka perustuu vuosikymmenien mittaiseen työhön MIT: ssä ja muualla", sanoi MIT: n plasma- ja fuusiokeskuksen apulaisjohtaja Martin Greenwald. "Jos SPARC saavuttaa odotetun suorituskyvyn, vaistoni sanelee, että se voidaan skaalata oikealle voimalaitokselle."
On olemassa monia muita projekteja ja startup-yrityksiä, jotka lupaavat myös ohittaa kaikenlaiset tokamakit ja kansainvälisen yhteistyön budjetit. On vaikea sanoa, löytääko joku niistä synteettisen ainesosan, vai voittaako ITER, painoarvonsa tiedeyhteisössä ja maiden tuella. Vielä on vaikea sanoa, milloin ja mistä fuusiosta tulee paras energian lähde. Synteesi on vaikeaa. Näin historia näyttää.
Ilja Khel