พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันและวิทยาศาสตร์

ฉันมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับความท้าทายครั้งใหญ่ที่จำเป็นในการสร้างพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันเชิงพาณิชย์ นี่คือเหตุผลที่ฉันมองโลกในแง่ดีมากขึ้นเกี่ยวกับการแยกตัวของนิวเคลียสเกลือหลอมเหลว ฉันพยายามอธิบายสิ่งนี้ในสองวิดีโอ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นหัวข้อที่ซับซ้อน ฉันจะพยายามอธิบายให้ชัดเจนและสั้นที่สุดที่นี่

ไกลแค่ไหนในเชิงพาณิชย์นิวเคลียร์ฟิวชั่น?

ฉันเชื่อว่าความก้าวหน้าทางเทคโนโลยียังคงมีความจำเป็น ทศวรรษที่ผ่านมาของการทำงานกับนิวเคลียร์ฟิวชั่นถูกครอบงำโดยโครงการ Tokomak (ITER, JET และ Tokomak ของเกาหลีใต้และ Tokomak ของจีน) Tokomak ถือพลาสม่านิวเคลียร์ฟิวชันในสนามแม่เหล็กรูปโดนัท ต้องใช้เวลาหลายปีกว่าที่โครงการจะสร้างขึ้นเพื่อพยายามสร้างฟิวชั่นเป็นเวลาสองสามวินาที และการหลอมรวมนั้นอยู่ห่างจากพลังงานสุทธิจริงประมาณ 1000 เท่า

มีหลายวิธีในการพยายามพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชันเพื่อสร้างพลังงาน ค่าเดียว เริ่มต้น เพื่อบอกเราว่าการทดลองฟิวชันใกล้เคียงกับพลังงานสุทธิแค่ไหน: ผลิตภัณฑ์ฟิวชั่นสามเท่า ผลิตภัณฑ์สามประการเป็นผลคูณของคุณลักษณะสามประการของพลาสมาหลอมรวม:

n ความหนาแน่นของไอออนในพลาสมา (ไอออน/ลูกบาศก์เมตร)
T อุณหภูมิของไอออนเหล่านั้น (keV2)
τE เวลากักเก็บพลังงาน (วินาที)

ปฏิกิริยาฟิวชันที่มีเกณฑ์ผลิตภัณฑ์สามเท่าต่ำสุด (หรือที่รู้จักมากที่สุด) คือการหลอมรวมของดิวเทอเรียมและทริเทียม (DT) สองไอโซโทปของไฮโดรเจน โรงไฟฟ้าฟิวชันที่ใช้เชื้อเพลิง DT จะมีผลิตภัณฑ์สามเท่าประมาณ 5×10^21 m-3 keV s ขึ้นไป มี ข้อกำหนดอื่น ๆ อีกมากมายสำหรับโรงไฟฟ้าที่ใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ แต่ผลิตภัณฑ์สามตัวเป็นขั้นตอนทางเทคนิคขั้นต่ำ

คุณสมบัติที่ดีของผลิตภัณฑ์สามตัวคือไม่ขึ้นกับรูปแบบเฉพาะที่ใช้ในการสร้างพลาสมาฟิวชัน จึงสามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างแนวทางต่างๆ ในการหลอมรวม เป็นปริมาณที่มีความหมายในรูปแบบการกักขังแม่เหล็ก (tokamaks, stellarators), รูปแบบการกักขังเฉื่อย (laser fusion) และรูปแบบ magneto-inertial (MagLIF, การบีบอัดของ FRCs)

Steven Krivit ที่ NewEnergy Times ได้ตีพิมพ์ pdf 26 หน้าและบทความอื่น ๆ อีกมากมายที่อธิบายการบิดเบือนความจริงโดยโครงการ Tokomak ITER มูลค่าหลายพันล้าน

การทดลองเครื่องปฏิกรณ์ JET (Joint European Torus) มูลค่าหลายพันล้านได้ดำเนินการมาเป็นเวลาหลายทศวรรษแล้ว ฉันคิดว่ามันอยู่ที่ประมาณ 100 ล้านยูโรต่อปีหรือมากกว่าสำหรับการระดมทุน ในเดือนมีนาคม 2019 รัฐบาลสหราชอาณาจักรและคณะกรรมาธิการยุโรปได้ลงนามขยายสัญญาสำหรับ JET สิ่งนี้รับประกันการทำงานของ JET จนถึงสิ้นปี 2024 โดยไม่คำนึงถึงสถานการณ์ Brexit ในเดือนธันวาคม 2020 การอัพเกรด JET ได้เริ่มใช้ไอโซโทป ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการสนับสนุน ITER เมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2021 JET ผลิตได้ 59 เมกะจูลโดยใช้เชื้อเพลิงดิวเทอเรียม-ทริเทียม ขณะที่ยังคงฟิวชั่นไว้ในช่วงห้าวินาที ทำลายสถิติเดิมที่ 21.7 เมกะจูลด้วย Q = 0.33 ซึ่งตั้งไว้ในปี 1997 Steven Krivit ชี้ให้เห็นว่าต้องใช้พลังงานประมาณ 700 เมกะวัตต์ ไฟฟ้าเพื่อผลิต 59 เมกะจูลภายในห้าวินาที Q = 0.33 คือ 33% ของ พลังงานเข้าและออกจากพลาสม่า. 700 เมกะวัตต์ในการจ่ายไฟนี้เป็นเวลาห้าวินาทีจะเป็นประมาณ 3.5 พันล้านจูลเพื่อดึง 59 เมกะจูลออกจากพลาสมา พลังงานจากผนังน้อยกว่า 60 เท่า จากนั้นพลังงานที่ออกจากพลาสมาจะต้องถูกแปลงกลับเป็นไฟฟ้า สิ่งนี้นำไปสู่ตัวเลขที่ซื่อสัตย์มากขึ้นจากการหลอมรวมของ LPP การทดลองพลังงานฟิวชันอยู่ที่หนึ่งในพันของเปอร์เซ็นต์ของกระแสไฟฟ้าทั้งหมดเมื่อเทียบกับกระแสไฟฟ้าเข้า

โลกนี้มี Tritium เพียง 25 ตัน ไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น DT (ดิวเทอเรียมและทริเทียม) ที่สร้างกิกะวัตต์จะต้องใช้ทริเทียมประมาณ 150 ตันต่อปี ปัจจุบัน Tritium ผลิตขึ้นที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชัน CANDU (แคนาดา) ที่มีน้ำหนักมาก

แผนเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น DT จำเป็นต้องจัดการกับการผสมพันธุ์ Tritium จำนวนมาก นี่หมายถึงการสร้างนิวตรอนราคาถูกจำนวนมากเพื่อแปลงลิเธียมเป็นไทรเทียมอย่างมีประสิทธิภาพ นี่เหมือนกับว่าเราจะมีแผนการแยกตัวของนิวเคลียร์เพื่อสร้างพลูโทเนียมในปริมาณมาก พลูโทเนียมไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ แต่คุณสามารถสร้างมันขึ้นมาได้โดยทำปฏิกิริยายูเรเนียม 238 กับนิวตรอน ยูเรเนียม 238 เป็น 94% ของสิ่งที่ผู้คนเรียกว่ากากนิวเคลียร์ ยูเรเนียม 238 เป็นประมาณ 99.3% ของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและ 97% ของแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สดในปัจจุบัน

ประเทศที่สามารถผลิตนิวตรอนราคาถูกจำนวนมากเพื่อผสมพันธุ์ Tritium จำนวนมาก หมายความว่าประเทศนั้นสามารถเพาะพันธุ์พลูโทเนียมจำนวนมากได้เช่นกัน ประเทศใดก็ตามที่สามารถเพาะพันธุ์พลูโทเนียมได้มาก สามารถสร้างระเบิดนิวเคลียร์ฟิชชันได้จำนวนมาก

ฉันค่อนข้างโอเคกับเรื่องนี้เพราะฉันคิดว่าระเบิดนิวเคลียร์ฟิชชันจะล้าสมัย โลกจะก้าวหน้าไปสู่เทคโนโลยีที่ดีขึ้นมากในด้านอวกาศและพลังงาน จากนั้นการทำลายล้างของระเบิดฟิชชันจะไม่ใช่ยุทธศาสตร์ทางการทหารและจะมีความสำคัญน้อยลงในด้านการทหาร นี่ไม่ได้หมายความว่าควรส่งเสริมให้มีการแพร่ขยาย ควรทำตามขั้นตอนเพื่อไม่ให้โง่ แต่โลกที่มีความเชี่ยวชาญด้านนิวเคลียร์เพื่อพลังงานและการขับเคลื่อนอวกาศจะหมายถึงโลกที่อาวุธนิวเคลียร์ค่อนข้างไม่สำคัญ พวกเขาจะกลายเป็นเหมือนเครื่องดื่มค็อกเทลโมโลตอฟ

การพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชันเพื่อพลังงานที่ประสบความสำเร็จนั้นต้องก้าวไปไกลกว่าระดับพลังงานเล็กๆ ในปัจจุบันที่สร้างขึ้นเมื่อเทียบกับพลังงานที่ใช้และทำในเชิงเศรษฐกิจ โครงการ Tokomak ต้องสร้างพลังบวกสุทธินี้โดยปริยายในขณะที่ถือพลาสมาเป็นเวลาหลายปีแทนที่จะเป็นวินาที ฉันชอบโครงการนิวเคลียร์ฟิวชันที่วางแผนจะไม่ถือพลาสมา โครงการเหล่านั้นใช้พลังพัลส์ พวกมันสร้างเงื่อนไขการหลอมรวมโดยสังเขป (เสี้ยววินาทีเล็ก ๆ น้อย ๆ ) และพยายามรับพลังงานจำนวนมากและดึงพลังงานออกมาโดยไม่ต้องใช้เทอร์ไบน์ การใช้กังหันหมายถึงการคงตัวของฟิวชันเหมือนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งตอนนี้ทำงานเหมือนโรงไฟฟ้าถ่านหิน กังหันทำงานโดยใช้ความร้อนคงที่ในปริมาณมาก คิดว่ามีกองไฟถ่านหินขนาดใหญ่

LPP Fusion เป็นบริษัทขนาดเล็กที่พยายามใช้นิวเคลียร์ฟิวชันขั้นสูงซึ่งมีเงินทุนเพียงไม่กี่ล้านเหรียญ อย่างไรก็ตาม เปอร์เซ็นต์ของกำลังต่อเปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่ออกนั้นใกล้เคียงกับ JET ขนาดใหญ่ (Joint European Torus) มาก LPP Fusion, Helion Energy, HB11 Fusion, TAE กำลังพยายามหารูปแบบของพัลซิ่งฟิวชั่น ดูภาพด้านบนในบทความนี้ ไฮไลท์แผน LPP Fusion อยู่ด้านล่าง

ฉันยังชอบโครงการที่ทำปฏิกิริยาฟิวชันขั้นสูง 1 พันล้านองศา แทนที่จะเป็น 100 ล้านองศา

นี่คือภาพสเปรดชีตติดตามโครงการนิวเคลียร์ฟิวชันของฉัน

นี่คือสไลด์บางส่วนจาก LPP Fusion