آزمایشگاه ملی گداخت هسته ای را باز می کند - پیشرفت واقعی، قانون جدید یا هر دو؟

Nهمجوشی هسته ای مدت ها جام مقدس انرژی واقعاً پاک بوده است. درهم شکستن اتم های هیدروژن نوید برق بی حد و حصر با انتشار کربن صفر، حداقل زباله های رادیواکتیو و صفر احتمال ذوب شدن فاجعه بار را می دهد. اما برای نیم قرن دانشمندان گداخت توسط قدرت لیزرهای خود و قدرت میدان های مغناطیسی خود محدود شده اند - تا به حال هرگز متوجه نشده بودند که چگونه انرژی بیشتری از درهم کوبیدن اتم خود به دست آورند.

امروزه دانشمندان در تاسیسات احتراق ملی در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا نشان خواهد داد که در اوایل دسامبر، برای اولین بار، آنها موفق به دستیابی به انرژی بیشتر از 1 شده اند - یعنی انرژی بیشتری از واکنش های داخل کپسول سوخت دوتریوم-تریتیوم آنها ساطع شده است (2,000 مگاژول). از آنچه در 192 لیزر که آنها آن را منفجر کردند.

دبرا کالاهان، فیزیکدان پلاسما که اخیراً تیم همجوشی LLNL را ترک کرد تا مدیر علمی استارتاپ شود، می‌گوید: این یک معامله بزرگ است، ارزش جشن گرفتن را دارد، اما تا حدودی نتیجه‌گیری از پیش تعیین شده است. انرژی متمرکز، که در حال حاضر برای تجاری سازی این رویکرد کار می کند.

کالاهان می‌دانست که LLNL پس از اینکه در سال گذشته به خروجی انرژی ۷۲ درصدی انرژی لیزری خود دست یافتند، به انرژی خالص دست خواهد یافت. "این برای من تعجب آور نیست. با توجه به مسیر نتایجی که دیده بودیماو می‌گوید، قرار بود این اتفاق بیفتد. آنها فقط به قدرت لیزر کمی بیشتری نیاز داشتند. پس چگونه کار می کند؟ یک استوانه توخالی کوچک از طلا را تصور کنید که در کف دست شما قرار می گیرد. به آن می گویند hohlraum. در داخل هوهلروم یک کپسول سوخت کوچک وجود دارد که داخل آن اتم های دوتریوم و تریتیوم وجود دارد.

آن‌ها از طلا استفاده می‌کنند زیرا در اشعه‌های ایکسی که هنگام انفجار هر دو انتهای hohlraum با 173 لیزر از قوی‌ترین لیزرهای جهان تولید می‌شود، نگه می‌دارد. کالاهان می‌گوید: «مثل یک کوره اشعه ایکس است» که سوخت را چنان فشرده می‌کند که منفجر می‌شود و همجوشی میان اتم‌های مرکز کپسول را مشتعل می‌کند. سپس این همجوشی در یک موج از مرکز منتشر می شود و گرمای فوق العاده ای منتشر می کند. همه اینها در یک میلیاردم ثانیه اتفاق می افتد.

چرا کالاهان LLNL را ترک کرد وقتی آنها در آستانه موفقیت بودند؟ زیرا، او می گوید، تأسیسات احتراق ملی یک ماشین همجوشی نیست. هوهلروم برای نشان دادن اشتعال عالی است، اما لزوما برای مهندسی همجوشی پالسی پیوسته به اندازه کافی کارآمد نیست زیرا انرژی لیزر باقیمانده در گرم کردن طلا به جای سوخت هیدروژن از بین می رود. بنابراین در انرژی متمرکز (با پشتیبانی آزمایشگاه پرایم موورز و همکاران New Enterprise) برنامه آنها این است که hohlraum را دور بیندازند و به جای آن از یک رویکرد "درایو مستقیم" استفاده کنند - انفجار لیزرها به طور مستقیم بر روی یک کپسول سوخت (شکل را ببینید).

آنها هنوز نشان نداده اند که کار می کند، اما کالاهان مطمئن است که در چند سال آینده پروژه آزمایشی آنها 10 برابر افزایش انرژی خواهد داشت. پس از آن، نیروگاه دومی به افزایش 30 برابری خواهد رسید، و به دنبال آن چیزی که در پایان دهه 2030 اولین ژنراتور تجاری آنها خواهد بود، به دست آوردن انرژی 100 برابری و انفجار 10 کپسول سوخت در هر ثانیه خواهد بود.

اما یک چالش خاص در آن وجود دارد. با سرعت 10 در ثانیه، دستگاه آنها تقریباً 900,000 کپسول در روز استفاده می کند. این مثل بیل زدن زغال سنگ در کوره نیست. هر کپسول باید مطابق با استانداردهای دقیق ساخته شود و با زمان بندی عالی به دستگاه شلیک شود.

***

آیا این واقع بینانه است؟ برخی از رقبای فیوژن اینطور فکر نمی کنند. جنرال فیوژن یک شرکت فیوژن مستقر در ونکوور کانادا است که دیروز نقطه عطف خود را اعلام کرد. روش آن همجوشی هدف مغناطیسی نامیده می‌شود و شامل ماشینی می‌شود که در آن گلوله‌ای از پلاسمای هیدروژن را به دستگاه تزریق می‌کنند و از آهنرباهای قدرتمند برای نگه داشتن آن استفاده می‌کنند و در حالی که با پیستون‌های مکانیکی فشرده می‌شوند به جای لیزر. مدیر عامل شرکت گرگ توینی انتظار دارد کارخانه آزمایشی جنرال فیوژن در بریتانیا در حال ساخت است تا در سال 2027 همجوشی را با طراحی تجاری آماده در اوایل دهه 2030 به نمایش بگذارد. او می‌گوید: «وقتی اخباری از این دست را می‌بینیم، تعجب نمی‌کنیم. اما رویکرد LLNL را نمی توان به یک کارخانه همجوشی در حال کار تعمیم داد، چیزی که جنرال فیوژن (با حمایت 300 میلیون دلاری جف بزوس، Shopify)فروشگاه
مدیر عامل شرکت توبیاس لوتکه، و تماسک، در میان دیگران) از همان ابتدا تصمیم گرفتند که این کار را انجام دهند. او می‌گوید: «هر کاری که ما انجام می‌دهیم روی یک نیروگاه تجاری متمرکز است. "اگر در یک آزمایش علمی کار کند اما تجاری نباشد، ما به آن علاقه نداریم."

اخبار LLNL پاسخ مشابهی را از سوی مدیر عامل شرکت دیوید کرتلی از استارت آپ فیوژن مستقر در سیاتل ایجاد کرد. هلیون، با حمایت 600 میلیون دلاری سرمایه گذاران فناوری پیتر تیل، سام آلتمن، داستین موسکوویتز، رید هافمن و جف اسکول. کرتلی می‌گوید: «ما هیجان‌زده‌ایم که آن‌ها به نقاط عطف علمی خود برای دستگاهشان دست یافته‌اند. اما او با "دستگاه تحقیقاتی که برای تولید برق طراحی نشده است" احساس خطر نمی کند. در مقابل، عملکرد دستگاه همجوشی 60 فوتی هلیون شامل تزریق گلوله‌های پلاسما در هر انتها، شکستن آنها در یک واکنش 100 میلیون درجه‌ای که توسط میدان‌های مغناطیسی شدید کنترل می‌شود، است. کرتلی می‌گوید: در سیستم جدید هلیون، انرژی آزاد شده در واکنش‌های همجوشی به طور مداوم در برابر میدان مهار مغناطیسی آن به بیرون فشار می‌آورد، که به عقب رانده می‌شود - و کرتلی می‌گوید: «مثل یک پیستون» نوساناتی ایجاد می‌کند که جریان الکتریکی تولید می‌کند که هلیون مستقیماً از راکتور می‌گیرد. (برای اطلاعات بیشتر به ادامه مطلب مراجعه کنید قانون استقرا فارادی.)

هلیون در حال ساختن هفتمین نمونه اولیه و طراحی هشتمین آن است، که کرتلی امیدوار است اولین ژنراتور همجوشی تجاری باشد - احتمالاً تا پایان این دهه به شبکه برق متصل شود، اگر همه چیز درست پیش برود. او می‌گوید تنظیم‌کننده‌های هسته‌ای فدرال به نظر می‌رسد دستگاه‌های خود را تحت قوانینی مشابه با شتاب‌دهنده‌های ذرات و نوع ماشین‌های تصویربرداری مورد استفاده در بیمارستان‌ها قرار دهند.

و تعداد زیادی از شرکت‌های دیگر وجود دارند که به‌عنوان شناخته‌شده‌ترین رویکرد برای همجوشی - اینها را دنبال می‌کنند توکامک مفهومی که در آن توپ‌های پلاسما به محفظه راکتوری به شکل یک دونات توخالی تزریق می‌شوند که توسط میدان‌های مغناطیسی قدرتمند کنترل می‌شود. فیوژن مشترک المنافعیکی از شاخه‌های MIT، به دنبال تکمیل توکامک با استفاده از مواد ابررسانا با دمای فوق‌العاده بالا است که مدیرعامل باب مامگارد فکر می‌کند که آنها را قادر می‌سازد تا یک دستگاه همجوشی کارآمد تا پایان دهه داشته باشند. همین امر در مورد جنرال اتمیکس مستقر در سن دیگو (بهترین شناخته شده) صدق می کند برای اختراع پهپاد Predator) که چندین دهه است که یک توکامک برای وزارت نیرو راه اندازی کرده و در حال طراحی یک ماشین جدید است. GA همچنین قدرتمندترین آهنربای جهان به نام شیر برقی مرکزی را برای بزرگترین پروژه همجوشی جهان ساخته است. 30 میلیارد دلار ITER در حال ساخت در فرانسه اگر استارت آپ های دیگر همجوشی راه خود را داشته باشند، ITER حتی قبل از تکمیل آن در دهه آینده منسوخ خواهد شد. GA (متعلق به میلیاردر نیل بلو) با گسترش شرط بندی، با آزمایشگاه ملی رودخانه ساوانا برای تولید گلوله های سوخت برای ماشین های همجوشی مبتنی بر لیزر مانند LLNR و انرژی متمرکز مشارکت دارد.

با هر کسی که در زمینه همجوشی صحبت می کنید، انتقاد آنها از راکتورهای شکافت هسته ای که مدت هاست تاسیس شده اند، یکسان است. واکنش‌های شکافت (که در آن اتم‌های بزرگ اورانیوم غنی‌شده از هم جدا می‌شوند) زباله‌های رادیواکتیو شامل پلوتونیوم و اکتینیدهای خطرناک را تولید می‌کنند که می‌توان آنها را به سلاح تبدیل کرد. برخلاف همجوشی که شروع آن سخت و متوقف کردن آن آسان است، شروع واکنش‌های شکافت آسان و متوقف کردن آن دشوار است و خطر ذوب‌های فاجعه‌بار را به همراه دارد. طرح های جدیدتر، مانند Westinghouse AP1000 راکتور شکافت، در حال ساخت در ایالات متحده و چین، دارای اقدامات ایمنی غیرفعال است و عملاً ضد ذوب است.

***

برخی از کارآفرینان اتمی فکر می کنند شکافت کافی است. برت کوگلماس، بنیانگذار و مدیر عامل شرکت آخرین انرژی، پنج سال پیش برای ابداع کارآمدترین و مقرون به صرفه ترین رآکتور هسته ای جهان شروع شد. کوگلماس، که اکنون 36 سال دارد، قبل از تصمیم گیری در مورد رویکرد خود، با صدها کارشناس صنعت هسته ای مصاحبه کرد (و گفتگوها را در مورد او مطرح کرد. پادکست Titans of Nuclear) برای جمع آوری خرد جمعی صنعت. اگرچه او به آینده بلندمدت همجوشی ایمان دارد، اما کوگلماس تشخیص داد که بهترین شرط جهان برای دور شدن از سوخت‌های فسیلی ساخت راکتورهای شکافت مدولار به ساده‌ترین، ارزان‌ترین و ایمن‌ترین راه ممکن است. در کارخانه خود در نزدیکی هیوستون، Last Energy اکنون اولین راکتورهای کوچک و مدولار آب تحت فشار خود را تولید می کند که از اجزای تولیدی استفاده می کند که از طریق زنجیره های تامین هسته ای موجود تامین می شود، با فناوری که در طول دهه ها تکمیل شده است و در موارد بیشتری استفاده می شود. بیش از 300 راکتور در سراسر جهان

در حال حاضر، Last Energy 10 واحد از 20 مگاوات خود را به مشتری در لهستان، دو دستگاه دیگر را برای رومانی و تعداد انگشت شماری را برای بریتانیا فروخته است. کوگلماس می‌گوید مالکیت معنوی او در مؤلفه‌های اثبات‌شده نیست، بلکه در نحوه کنار هم قرار دادن همه آنها است. او تاکنون 24 میلیون دلار جمع آوری کرده است Gigafundو انتظار دارد اولین راکتورها در لهستان در سال 2025 راه اندازی شوند. برای تامین مالی ماشین آلات، Last Energy قراردادهای خرید برق بلندمدت منعقد می کند که به مشتریان قول می دهد دهه ها انرژی هسته ای بدون کربن را با قیمت پایین تر از بازار دریافت کنند. کوگلماس می گوید: «ما توانستیم جایگاه مطلوبی را ایجاد کنیم که هیچ کس دنبال آن نمی رفت. ما کل عملیات را جعبه سیاه کردیم.»

همانطور که وعده ادغام ممکن است جذاب باشد، اگر Kugelmass راه خود را داشته باشد، واقعیت های رقابتی شکافت ثابت و قابل اعتماد هنوز می تواند پسر عموی جدید خود را به زباله دانی های قهرمانانه فناوری سقوط کند - Betamax، Google Glass و New Coke را به خاطر دارید؟

بیشتر از FORBESهمجوشی هسته ای با سرمایه گذاری میلیاردرها وارد عصر جدیدی می شودBy کریستوفر هلمنبیشتر از FORBESهسته ای جدید: چگونه یک تکشاخ انرژی همجوشی 600 میلیون دلاری قصد دارد خورشیدی را شکست دهدBy کریستوفر هلمنبیشتر از FORBESمیلیاردرهای آرام پشت پهپاد درنده آمریکایی که سلیمانی ایران را کشتBy دنیز چام