Ισχύς πυρηνικής σύντηξης και επιστήμη

Έχω μια αρκετά ολοκληρωμένη κατανόηση των τεράστιων προκλήσεων που απαιτούνται για τη δημιουργία εμπορικής ενέργειας πυρηνικής σύντηξης. Αυτός είναι ο λόγος που είμαι πιο αισιόδοξος για την πυρηνική σχάση λιωμένου αλατιού. Αυτό προσπαθώ να το εξηγήσω σε δύο βίντεο. Ωστόσο, αυτό είναι ένα σύνθετο θέμα. Θα προσπαθήσω να το αναφέρω όσο πιο ξεκάθαρα και συνοπτικά γίνεται εδώ.

Πόσο μακριά στην εμπορική πυρηνική σύντηξη;

Πιστεύω ότι χρειάζονται ακόμα τεχνολογικές ανακαλύψεις. Οι πρόσφατες δεκαετίες εργασίας για την πυρηνική σύντηξη κυριαρχήθηκαν από τα έργα Tokomak (ITER, JET και ένα Tokomak της Νότιας Κορέας και ένα κινεζικό Tokomak). Οι Tokomak κρατούν πλάσμα πυρηνικής σύντηξης σε μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ντόνατ. Χρειάζονται χρόνια για να αναπτυχθούν τα έργα σε προσπάθειες δημιουργίας σύντηξης για λίγα δευτερόλεπτα και η σύντηξη απέχει περίπου 1000 φορές από την πραγματική καθαρή ενέργεια.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι προσπάθειας ανάπτυξης πυρηνικής σύντηξης για παραγωγή ενέργειας. Μια ενιαία τιμή ξεκινά για να μας πει πόσο κοντά είναι ένα πείραμα σύντηξης στην καθαρή ισχύ: το τριπλό προϊόν σύντηξης. Το τριπλό προϊόν είναι το γινόμενο τριών χαρακτηριστικών ενός πλάσματος σύντηξης:

n την πυκνότητα των ιόντων στο πλάσμα (ιόντα/κυβικό μέτρο)
T η θερμοκρασία αυτών των ιόντων (keV2)
τE ο χρόνος περιορισμού της ενέργειας (δευτερόλεπτα)

Η αντίδραση σύντηξης με το χαμηλότερο (γνωστό και ως το πλέον εφικτό) τριπλό κατώφλι προϊόντος είναι η σύντηξη δευτερίου και τριτίου (DT), δύο ισοτόπων υδρογόνου. Ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης που λειτουργεί με καύσιμο DT θα έχει τριπλό προϊόν περίπου 5×10^21 m-3 keV s ή μεγαλύτερο. Υπάρχουν πολλές άλλες απαιτήσεις για μια εμπορικά βιώσιμη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής αλλά το τριπλό προϊόν είναι ένα ελάχιστο τεχνικό ορόσημο.

Μια ωραία ιδιότητα του τριπλού προϊόντος είναι ότι είναι ανεξάρτητο από το συγκεκριμένο σχήμα που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του πλάσματος σύντηξης, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση της απόδοσης σε διάφορα είδη προσεγγίσεων για τη σύντηξη. Είναι μια σημαντική ποσότητα σε σχήματα μαγνητικού περιορισμού (tokamaks, stellarators), αδρανειακά σχήματα περιορισμού (σύντηξη λέιζερ) και μαγνητο-αδρανειακά σχήματα (MagLIF, συμπίεση FRCs).

Ο Steven Krivit στους NewEnergy Times δημοσίευσε ένα pdf 26 σελίδων και πολλά άλλα άρθρα που περιγράφουν παραποιήσεις από το έργο ITER πολλών δισεκατομμυρίων Tokomak.

Το πείραμα πολλαπλών δισεκατομμυρίων αντιδραστήρα JET (Joint European Torus) λειτουργεί εδώ και δεκαετίες. Νομίζω ότι ήταν περίπου 100 εκατομμύρια ευρώ ετησίως ή περισσότερο για τη χρηματοδότησή του. Τον Μάρτιο του 2019, η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου και η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υπέγραψαν επέκταση σύμβασης για το JET. Αυτό εγγυήθηκε τη λειτουργία του JET μέχρι το τέλος του 2024, ανεξάρτητα από την κατάσταση του Brexit. Τον Δεκέμβριο του 2020, ξεκίνησε μια αναβάθμιση του JET χρησιμοποιώντας τρίτιο, ως μέρος της συνεισφοράς του στο ITER. Στις 21 Δεκεμβρίου 2021, το JET παρήγαγε 59 megajoules χρησιμοποιώντας καύσιμο δευτερίου-τριτίου ενώ διατηρούσε τη σύντηξη κατά τη διάρκεια ενός παλμού πέντε δευτερολέπτων, ξεπερνώντας το προηγούμενο ρεκόρ των 21.7 megajoules με Q = 0.33, που σημειώθηκε το 1997. Ο Steven Krivit επισημαίνει ότι χρειάστηκαν περίπου 700 megawat ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή των 59 megajoules σε διάστημα πέντε δευτερολέπτων. Το Q = 0.33 είναι 33% του ενέργεια μέσα και έξω από το πλάσμα. 700 μεγαβάτ για να τροφοδοτηθεί αυτό για πέντε δευτερόλεπτα θα ήταν περίπου 3.5 δισεκατομμύρια τζάουλ για να ληφθούν 59 μεγατζάουλ από το πλάσμα. Η ισχύς του τοίχου είναι περίπου 60 φορές μικρότερη και τότε η ισχύς από το πλάσμα θα πρέπει να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό αφορά τις πιο ειλικρινείς φιγούρες από το LPP fusion. Τα πειράματα ισχύος σύντηξης είναι στο ένα χιλιοστό του ποσοστού της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας που εξέρχεται έναντι της ηλεκτρικής ενέργειας που εισέρχεται.

Ο κόσμος έχει μόνο 25 τόνους τριτίου. Δεν εμφανίζεται φυσικά. Ένας αντιδραστήρας σύντηξης DT (δευτέριο και τρίτιο) που παράγει ένα γιγαβάτ θα χρειαζόταν περίπου 150 τόνους τριτίου ετησίως. Το τρίτιο παράγεται επί του παρόντος σε πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης βαρέων υδάτων CANDU (Καναδά).

Τα σχέδια του αντιδραστήρα σύντηξης DT πρέπει να αντιμετωπίσουν την αναπαραγωγή πολλών τριτίου. Αυτό σημαίνει τη δημιουργία πολλών φθηνών νετρονίων για την αποτελεσματική μετατροπή του λιθίου σε τρίτιο. Αυτό είναι σαν να λέμε ότι θα είχαμε ένα σχέδιο πυρηνικής σχάσης για την παραγωγή άφθονων ποσοτήτων πλουτωνίου. Το πλουτώνιο δεν υπάρχει στη φύση, αλλά μπορείτε να το φτιάξετε αντιδρώντας το ουράνιο 238 με νετρόνια. Το ουράνιο 238 είναι το 94% αυτού που οι άνθρωποι αποκαλούν πυρηνικά απόβλητα. Το ουράνιο 238 είναι περίπου το 99.3% του φυσικού ουρανίου και το 97% των σημερινών φρέσκων ράβδων πυρηνικού καυσίμου.

Μια χώρα που μπορεί να παράγει πολλά φθηνά νετρόνια για την αναπαραγωγή πολύ τριτίου θα σήμαινε ότι αυτή η χώρα θα μπορούσε επίσης να παράγει πολύ πλουτώνιο. Οποιαδήποτε χώρα μπορεί να παράγει πολύ πλουτώνιο μπορεί να κατασκευάσει πολλές πυρηνικές βόμβες σχάσης.

Πραγματικά είμαι σχετικά εντάξει με αυτό γιατί πιστεύω ότι οι βόμβες πυρηνικής σχάσης θα είναι ξεπερασμένες. Ο κόσμος θα προχωρήσει σε πολύ καλύτερη τεχνολογία στο διάστημα και την ενέργεια, τότε η καταστροφικότητα των βομβών σχάσης δεν θα είναι στρατιωτική στρατηγική και θα γίνει λιγότερο σημαντική στρατιωτικά. Αυτό δεν σημαίνει ότι πρέπει να ενθαρρύνεται η διάδοση. Πρέπει να ληφθούν μέτρα για να μην είμαστε ανόητοι, αλλά ένας κόσμος με μαεστρία στα πυρηνικά για ενέργεια και διαστημική πρόωση θα σημαίνει έναν κόσμο όπου τα πυρηνικά όπλα είναι σχετικά ασήμαντα. Θα γίνουν σαν μολότοφ.

Η επιτυχής ανάπτυξη της πυρηνικής σύντηξης για ενέργεια πρέπει να υπερβεί όλο αυτό το μικρό επίπεδο ρεύματος που παράγεται σε σχέση με την ισχύ που χρησιμοποιείται και να το κάνει οικονομικά. Τα έργα Tokomak πρέπει να παράγουν σιωπηρά αυτήν την καθαρή θετική ισχύ, ενώ συγκρατούν το πλάσμα για χρόνια αντί για δευτερόλεπτα. Μου αρέσουν τα έργα πυρηνικής σύντηξης που σχεδιάζουν να μην συγκρατούν πλάσμα. Αυτά τα έργα χρησιμοποιούν παλμική ισχύ. Εν συντομία (μικρά κλάσματα του δευτερολέπτου) δημιουργούν συνθήκες σύντηξης και προσπαθούν να πάρουν τεράστιες ποσότητες ισχύος και να βγάλουν την ισχύ χωρίς να χρησιμοποιούν στρόβιλο. Η χρήση τουρμπίνας σημαίνει διατήρηση της σύντηξης όπως οι μονάδες πυρηνικής σχάσης τώρα που λειτουργούν σαν εργοστάσια άνθρακα. Οι τουρμπίνες λειτουργούν με μεγάλη ποσότητα παρατεταμένης θερμότητας. Σκεφτείτε μαζικές πυρκαγιές άνθρακα.

Η LPP Fusion είναι μια μικρή εταιρεία που προσπαθεί να φτάσει σε προηγμένη πυρηνική σύντηξη που είχε μόνο μερικά εκατομμύρια δολάρια σε χρηματοδότηση. Ωστόσο, το ποσοστό ισχύος σε ποσοστό εξόδου είναι πολύ κοντά στο μεγάλο JET (Joint European Torus). Οι LPP Fusion, Helion Energy, HB11 Fusion, TAE προσπαθούν να βρουν μορφές παλμικής σύντηξης. Δείτε την επάνω εικόνα σε αυτό το άρθρο. Τα κυριότερα σημεία του σχεδίου σύντηξης LPP είναι παρακάτω.

Προτιμώ επίσης έργα που αφορούν προηγμένες αντιδράσεις σύντηξης. 1 δισεκατομμύριο βαθμούς αντί για 100 εκατομμύρια βαθμούς.

Εδώ είναι η εικόνα του υπολογιστικού φύλλου παρακολούθησης του έργου πυρηνικής σύντηξης.

Εδώ είναι μερικές διαφάνειες από το LPP Fusion.