Πώς λειτουργεί το fusion power και οι νεοφυείς επιχειρήσεις που το επιδιώκουν

Για δεκαετίες, οι άνθρωποι προσπαθούσαν να εκμεταλλευτούν τη δύναμη των αστεριών για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια εδώ στη Γη. Και για σχεδόν τόσο καιρό, η επίτευξη αυτού του στόχου φαινόταν πάντα μια δεκαετία μακριά.

Τώρα, μια σειρά από startups είναι πιο κοντά από ποτέ και σπεύδουν να κατασκευάσουν αντιδραστήρες σύντηξης ικανούς να τροφοδοτήσουν με ισχύ το δίκτυο.

Οι startups Fusion έχουν αντλήσει επενδύσεις άνω των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων, με περισσότερες από δώδεκα να έχουν συγκεντρώσει πάνω από 100 εκατομμύρια δολάρια. Πολλοί μεγάλοι γύροι χρηματοδότησης έκλεισαν τον τελευταίο χρόνο, με τους επενδυτές να προσελκύονται στον κλάδο καθώς αυξάνεται η ζήτηση ενέργειας από τα κέντρα δεδομένων και καθώς οι νεοφυείς επιχειρήσεις σύντηξης πλησιάζουν στη γραμμή του τερματισμού.

Στον πυρήνα της, η ισχύς σύντηξης επιδιώκει να χρησιμοποιήσει την ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σύντηξη των ατόμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι άνθρωποι γνώριζαν πώς να συντήκουν άτομα για δεκαετίες, από τη βόμβα υδρογόνου – ένα παράδειγμα ανεξέλεγκτης πυρηνικής σύντηξης – σε οποιαδήποτε από τις μυριάδες συσκευές σύντηξης που κατασκευάζονται σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Οι πειραματικές συσκευές σύντηξης μπόρεσαν να ελέγξουν την πυρηνική σύντηξη και μία ήταν σε θέση να παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτούνταν για να πυροδοτήσει την αντίδραση.

Αλλά κανένας από αυτούς δεν μπόρεσε να παράγει αρκετό πλεόνασμα για να καταστεί δυνατή μια μονάδα παραγωγής ενέργειας.

Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι startups fusion δοκιμάζουν μια σειρά από διαφορετικές προσεγγίσεις. Οι ειδικοί έχουν διαφορετικές απόψεις σχετικά με το ποιες έχουν τις καλύτερες πιθανότητες επιτυχίας, αν και ο κλάδος βρίσκεται ακόμα στα σπάργανα, επομένως τίποτα δεν είναι εγγυημένο.

Ακολουθεί μια σύντομη επισκόπηση των κύριων προσεγγίσεων για την ισχύ σύντηξης.

Μαγνητικός περιορισμός

Ο μαγνητικός περιορισμός είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές, που χρησιμοποιεί ισχυρά μαγνητικά πεδία για να περιορίσει το πλάσμα, τη σούπα υπερθερμασμένων σωματιδίων που βρίσκεται στην καρδιά μιας συσκευής σύντηξης.

Οι μαγνήτες πρέπει να είναι εξαιρετικά ισχυροί. Η Commonwealth Fusion Systems (CFS), για παράδειγμα, συναρμολογεί μαγνήτες που μπορούν να δημιουργήσουν μαγνητικά πεδία 20 Tesla, τα οποία είναι περίπου 13 φορές ισχυρότερα από ένα τυπικό μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας. Για να διαχειριστούν την απαιτούμενη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, οι μαγνήτες κατασκευάζονται από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, οι οποίοι πρέπει ακόμα να ψύχονται στους –253˚ C (–423˚ F) χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο.

Η CFS κατασκευάζει αυτήν τη στιγμή μια συσκευή επίδειξης που ονομάζεται Sparc σε ένα πολύ πιο επιταχυνόμενο χρονοδιάγραμμα στη Μασαχουσέτη. Η εταιρεία αναμένει να το ενεργοποιήσει κάποια στιγμή στα τέλη του 2026 και αν όλα πάνε καλά, θα ξεκινήσει η κατασκευή του Arc, του εργοστασίου ηλεκτροπαραγωγής εμπορικής κλίμακας, στη Βιρτζίνια το 2027 ή το 2028.

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι συσκευών σύντηξης που χρησιμοποιούν μαγνητικό περιορισμό: tokamaks και stellarators.

Τα Tokamaks θεωρητικοποιήθηκαν για πρώτη φορά από Σοβιετικούς επιστήμονες τη δεκαετία του 1950 και από τότε έχουν μελετηθεί ευρέως. Τα Tokamaks έρχονται σε δύο βασικά σχήματα – ένα ντόνατ με προφίλ σχήματος D και μια σφαίρα με μια μικρή τρύπα στη μέση. Το Joint European Torus (JET) και το ITER είναι δύο αξιοσημείωτα πειραματικά tokamaks. Το JET λειτούργησε στο Ηνωμένο Βασίλειο μεταξύ 1983 και 2023, ενώ ο ITER αναμένεται να ξεκινήσει τη λειτουργία του στη Γαλλία στα τέλη της δεκαετίας του 2030.

Η Tokamak Energy με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο εργάζεται σε ένα σφαιρικό σχέδιο tokamak. Το πειραματικό του μηχάνημα ST40 βρίσκεται υπό αναβάθμιση.

Οι Stellarators είναι ο άλλος κύριος τύπος μαγνητικής συσκευής περιορισμού. Μοιάζουν με τα tokamaks στο ότι διατηρούν το πλάσμα που περιέχεται σε σχήμα που μοιάζει με ντόνατ. Αλλά σε αντίθεση με τις γεωμετρικές πλευρές του tokamak, οι αστρικοί στρίβουν και περιστρέφονται. Το ακανόνιστο σχήμα καθορίζεται μοντελοποιώντας τη συμπεριφορά του πλάσματος και προσαρμόζοντας το μαγνητικό πεδίο ώστε να λειτουργεί με τις ιδιορρυθμίες του αντί να το εξαναγκάζει σε κανονικό σχήμα.

Wendelstein 7-X, ένας μεγάλος αστεριστής με αρθρωτά υπεραγώγιμα πηνία που λειτουργεί από το Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική του Πλάσματος. δραστηριοποιείται στη Γερμανία από το 2015. Πολλές startups αναπτύσσουν επίσης τους δικούς τους stellarators, συμπεριλαμβανομένων των Proxima Fusion, Renaissance Fusion, Thea Energy και Type One Energy.

Αδρανειακός περιορισμός

Η άλλη κύρια προσέγγιση για τη σύντηξη είναι γνωστή ως αδρανειακός περιορισμός, ο οποίος συμπιέζει τα σφαιρίδια καυσίμου μέχρι να συντηχθούν τα άτομα μέσα.

Τα περισσότερα σχέδια αδράνειας περιορισμού χρησιμοποιούν παλμούς φωτός λέιζερ για τη συμπίεση των σφαιριδίων καυσίμου. Πολλές ακτίνες λέιζερ εκτοξεύονται ταυτόχρονα και οι παλμοί φωτός τους συγκλίνουν στο σφαιρίδιο του καυσίμου από όλες τις γωνίες ταυτόχρονα.

Μέχρι στιγμής, ο αδρανειακός περιορισμός είναι η μόνη προσέγγιση που έχει σπάσει ένα ορόσημο που είναι γνωστό ως επιστημονική εξισορρόπηση, δηλαδή όταν η αντίδραση απελευθερώνει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει. Αυτά τα πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί στο National Ignition Facility (NIF) στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια. Σημειωτέον, οι μετρήσεις για τον προσδιορισμό της επιστημονικής εξισορρόπησης δεν περιλαμβάνουν πράγματα όπως η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδοσία της πειραματικής εγκατάστασης.

Ωστόσο, σχεδόν δώδεκα startups βλέπουν αρκετή υπόσχεση στον αδρανειακό περιορισμό ότι σχεδιάζουν αντιδραστήρες γύρω από αυτό. Η Focused Energy, η Inertia Enterprises, η Marvel Fusion και το Xcimer είναι μερικά αξιοσημείωτα παραδείγματα χρήσης λέιζερ.

Ωστόσο, υπάρχουν δύο εταιρείες που δεν χρησιμοποιούν λέιζερ: η First Light Fusion, η οποία προτείνει τη χρήση εμβόλων και η Pacific Fusion, η οποία σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς αντί για λέιζερ.

Ακολουθούν περισσότερα

Αυτές είναι οι δύο κύριες προσεγγίσεις για την ισχύ σύντηξης, αν και δεν είναι οι μόνες. Σύντομα, θα προσθέσουμε περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με εναλλακτικά σχέδια, συμπεριλαμβανομένης της μαγνητισμένης σύντηξης στόχου, του μαγνητικού-ηλεκτροστατικού περιορισμού και της σύντηξης που καταλύεται από μιόνιο.