Mam bardzo wszechstronne zrozumienie ogromnych wyzwań potrzebnych do stworzenia komercyjnej energii z syntezy jądrowej. Dlatego jestem bardziej optymistycznie nastawiony do rozszczepienia jądrowego w stopionej soli. Staram się to wyjaśnić w dwóch filmach. Jest to jednak złożony temat. Postaram się to tutaj przedstawić tak jasno i krótko, jak to tylko możliwe.
Jak daleko w komercyjnej syntezie jądrowej?
Uważam, że przełomy technologiczne są nadal potrzebne. Ostatnie dziesięciolecia prac nad syntezą jądrową zostały zdominowane przez projekty Tokomak (ITER, JET oraz południowokoreański Tokomak i chiński Tokomak). Tokomak trzyma plazmę termojądrową w polu magnetycznym w kształcie pączka. Projekty trwają latami, zanim trwają próby stworzenia syntezy jądrowej przez kilka sekund, a synteza jądrowa jest około 1000 razy większa od rzeczywistej energii netto.
Istnieje wiele sposobów próbowania rozwoju syntezy jądrowej w celu generowania energii. Pojedyncza wartość rozpocznie aby powiedzieć nam, jak blisko jest eksperyment syntezy jądrowej do mocy netto: potrójny produkt syntezy jądrowej. Produkt potrójny jest iloczynem trzech cech plazmy termojądrowej:
n gęstość jonów w plazmie (jony/metr sześcienny)
T temperatura tych jonów (keV2)
τE czas utrzymywania energii (sekundy)
Reakcja syntezy jądrowej z najniższym (czyli najbardziej osiągalnym) progiem potrójnego produktu to fuzja deuteru i trytu (DT), dwóch izotopów wodoru. Elektrownia termojądrowa zasilana paliwem DT będzie miała iloczyn potrójny około 5×10^21 m-3 keV s lub większy. Są wiele innych wymagań dla komercyjnej elektrowni ale potrójny produkt to minimalny techniczny kamień milowy.
Przyjemną właściwością potrójnego iloczynu jest to, że jest niezależny od konkretnego schematu użytego do wytworzenia plazmy termojądrowej, dzięki czemu można go wykorzystać do porównania wydajności różnych rodzajów podejść do syntezy jądrowej. Jest to znacząca wielkość w schematach uwięzienia magnetycznego (tokamaki, stellaratory), schematach uwięzienia inercyjnego (fuzja laserowa) i schematach magneto-inercyjnych (MagLIF, kompresja FRC).
Wielomiliardowy eksperyment z reaktorem JET (Joint European Torus) działa od dziesięcioleci. Myślę, że było to około 100 milionów euro rocznie lub więcej na jego finansowanie. W marcu 2019 r. rząd Wielkiej Brytanii i Komisja Europejska podpisały przedłużenie kontraktu dla JET. To gwarantowało działanie JET do końca 2024 roku niezależnie od sytuacji związanej z Brexitem. W grudniu 2020 r. Rozpoczęto modernizację JET z wykorzystaniem trytu w ramach jego wkładu w ITER. 21 grudnia 2021 r. JET wyprodukował 59 megadżuli przy użyciu paliwa deuterowo-trytowego, podtrzymując syntezę jądrową podczas pięciosekundowego impulsu, pobijając swój poprzedni rekord 21.7 megadżuli z Q = 0.33, ustanowiony w 1997 r. Steven Krivit zwraca uwagę, że zajęło to około 700 megawatów energii elektrycznej do wytworzenia 59 megadżuli w ciągu pięciu sekund. Q = 0.33 to 33%. energia wchodząca i wychodząca z plazmy. 700 megawatów do zasilania tego przez pięć sekund to około 3.5 miliarda dżuli, aby uzyskać 59 megadżuli z plazmy. Moc ściany jest około 60 razy mniejsza, a wtedy energia plazmy musiałaby zostać przekształcona z powrotem w energię elektryczną. Dotyczy to bardziej uczciwych postaci z LPP fusion. Eksperymenty z energią termojądrową to jedna tysięczna procenta całkowitej energii na wyjściu w stosunku do energii na wejściu.
Na świecie jest tylko 25 ton trytu. Nie występuje naturalnie. Reaktor termojądrowy DT (deuter i tryt) generujący gigawat potrzebowałby około 150 ton trytu rocznie. Tryt jest obecnie produkowany w ciężkowodnych reaktorach rozszczepienia jądrowego wyprodukowanych przez CANDU (Kanada).
Plany reaktora termojądrowego DT muszą uwzględniać hodowlę dużej ilości trytu. Oznacza to generowanie wielu tanich neutronów w celu wydajnego przekształcania litu w tryt. To tak, jakby powiedzieć, że mielibyśmy plan rozszczepienia jądrowego, aby uzyskać obfite ilości plutonu. Pluton nie występuje w przyrodzie, ale można go wytworzyć w reakcji uranu 238 z neutronami. Uran 238 to 94% tego, co ludzie nazywają odpadami nuklearnymi. Uran 238 to około 99.3% naturalnie występującego uranu i 97% obecnych świeżych jądrowych prętów paliwowych.
Kraj, który może wygenerować wiele tanich neutronów, aby wyhodować dużo trytu, oznaczałby, że kraj ten mógłby również wyhodować dużo plutonu. Każdy kraj, który może wyhodować dużo plutonu, może wyprodukować wiele bomb atomowych.
Właściwie jestem z tym stosunkowo OK, ponieważ myślę, że bomby atomowe staną się przestarzałe. Świat będzie postępował w kierunku znacznie lepszych technologii w przestrzeni kosmicznej i energii, wtedy niszczycielskie bomby rozszczepialne nie będą miały strategicznego znaczenia militarnego i staną się mniej ważne militarnie. Nie oznacza to, że należy zachęcać do proliferacji. Należy podjąć kroki, aby nie być głupim, ale świat z mistrzostwem w dziedzinie energii jądrowej i napędu kosmicznego będzie oznaczał świat, w którym broń jądrowa jest stosunkowo trywialna. Staną się jak koktajle Mołotowa.
Pomyślny rozwój syntezy jądrowej w celu uzyskania energii musi wyjść poza cały ten niewielki poziom prądu generowanego w stosunku do wykorzystywanej energii i zrobić to ekonomicznie. Projekty Tokomak muszą pośrednio generować tę dodatnią moc netto, utrzymując plazmę przez lata zamiast sekund. Lubię projekty syntezy jądrowej, które planują nie trzymać plazmy. Projekty te wykorzystują energię impulsową. Na krótko (maleńkie ułamki sekundy) tworzą warunki fuzji i próbują uzyskać ogromne ilości energii i wydobyć moc bez użycia turbiny. Korzystanie z turbiny oznacza podtrzymywanie syntezy jądrowej, podobnie jak elektrownie jądrowe, które teraz działają jak elektrownie węglowe. Turbiny pracują z dużą ilością trwałego ciepła. Pomyśl o masowych pożarach węgla.
LPP Fusion to niewielka firma, która stara się wejść na zaawansowaną syntezę jądrową, mając zaledwie kilka milionów dolarów dofinansowania. Jednak procent mocy do procent mocy wyjściowej są bardzo zbliżone do dużego JET (Joint European Torus). LPP Fusion, Helion Energy, HB11 Fusion, TAE próbują iść w kierunku pulsacyjnej fuzji. Zobacz górny obraz w tym artykule. Poniżej najważniejsze informacje dotyczące planu LPP Fusion.
Preferuję również projekty dotyczące zaawansowanych reakcji syntezy jądrowej. 1 miliard stopni zamiast 100 milionów stopni.
Oto obraz mojego arkusza kalkulacyjnego śledzenia projektu syntezy jądrowej.
Oto kilka slajdów z LPP Fusion.
Brian Wang jest liderem myśli futurystycznej i popularnym blogerem naukowym z milionem czytelników miesięcznie. Jego blog Nextbigfuture.com zajmuje pierwsze miejsce w rankingu Science News Blog. Obejmuje wiele przełomowych technologii i trendów, w tym przestrzeń kosmiczną, robotykę, sztuczną inteligencję, medycynę, biotechnologię przeciwstarzeniową i nanotechnologię.
Znany z identyfikowania najnowocześniejszych technologii, obecnie jest współzałożycielem startupu i fundraiserem dla firm o wysokim potencjale we wczesnej fazie rozwoju. Pełni funkcję Szefa Działu Badań Alokacji dla inwestycji w głębokie technologie oraz Anioła Inwestora w Space Angels.
Częsty mówca w korporacjach, mówca TEDx, mówca Singularity University i gościnnie w licznych wywiadach dla radia i podcastów. Jest otwarty na wystąpienia publiczne i doradzanie.
