Η Fusion startup σχεδιάζει αντιδραστήρα με μικρούς αλλά ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες
Μια startup που κυνηγά το όνειρο της άφθονης, ασφαλούς, χωρίς άνθρακα ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη, της πηγής ενέργειας του Ήλιου, έχει εγκατασταθεί σε μια τοποθεσία, χρονοδιάγραμμα και βασική τεχνολογία για την κατασκευή του συμπαγούς αντιδραστήρα της. Με περισσότερα από 200 εκατομμύρια δολάρια από επενδυτές, συμπεριλαμβανομένου του Breakthrough Energy του Bill Gates, η 3χρονη Commonwealth Fusion Systems ανακοίνωσε σήμερα ότι αργότερα φέτος θα αρχίσει να κατασκευάζει τον πρώτο δοκιμαστικό αντιδραστήρα της, που ονομάζεται SPARC, σε μια νέα εγκατάσταση στο Devens της Μασαχουσέτης. , όχι μακριά από τη σημερινή του βάση στο Κέμπριτζ. Η εταιρεία λέει ότι ο αντιδραστήρας, ο οποίος θα είναι ο πρώτος στον κόσμο που θα παράγει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για την εκτέλεση της αντίδρασης, θα μπορούσε να πυροδοτηθεί το 2025.
Η Κοινοπολιτεία και μια αντίπαλη βρετανική εταιρεία επέλεξαν επίσης την τεχνολογία που πιστεύουν ότι θα τους επιτρέψει να πηδήξουν μπροστά από τον γιγάντιο, δημόσια χρηματοδοτούμενο αντιδραστήρα ITER υπό κατασκευή στη Γαλλία και ακόμη πιο μπροστά από ένα πιλοτικό εργοστάσιο των ΗΠΑ που εξετάζεται από το Υπουργείο Ενέργειας:μικρό αλλά ισχυρό μαγνήτες, κατασκευασμένοι από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Η Commonwealth συγκεντρώνει τον πρώτο της μαγνήτη σχεδόν πλήρους κλίμακας και ελπίζει να τον δοκιμάσει τον Ιούνιο. «Είναι μεγάλη υπόθεση», λέει ο CEO Bob Mumgaard. "Είναι πέρα από αυτό που όλοι οι άλλοι επιδιώκουν."
Οι αντιδραστήρες σύντηξης καίνε ένα ιονισμένο αέριο ισοτόπων υδρογόνου σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου—τόσο ζεστό που το πλάσμα πρέπει να περιέχεται από ένα πλέγμα μαγνητικών πεδίων ώστε να μην λιώσει τα τοιχώματα του αντιδραστήρα. Στο ITER, επιτυγχάνονται αρκετά ισχυρά πεδία χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα σύρματα από κράμα νιοβίου που μπορούν να μεταφέρουν τεράστια ρεύματα χωρίς αντίσταση μέσω μαγνητών πηνίων. Αλλά τέτοιοι υπεραγωγοί χαμηλής θερμοκρασίας πρέπει να ψύχονται στους 4° πάνω από το απόλυτο μηδέν, κάτι που απαιτεί ογκώδη και ακριβή ψύξη υγρού ηλίου. Και υπάρχει ένα όριο στην ποσότητα ρεύματος που μπορούν να μεταφέρουν τα καλώδια νιοβίου, αναγκάζοντας τον ITER να υιοθετήσει τεράστιους μαγνήτες με πολλές στροφές καλωδίων για να δημιουργήσει τα απαραίτητα πεδία. Οι μεγαλύτεροι μαγνήτες του ITER έχουν πλάτος 24 μέτρα, συμβάλλοντας στην τιμή του αντιδραστήρα 20 δισεκατομμυρίων δολαρίων.
Οι νεότεροι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας - που ονομάζονται έτσι επειδή μπορούν να υπεραγωγούν σε σχετικά ήρεμες θερμοκρασίες υγρού αζώτου πάνω από 77 Κέλβιν - δεν υπήρχαν όταν σχεδιάστηκε το ITER. Αλλά μπορούν να μεταφέρουν πολύ υψηλότερα ρεύματα, δελεάζοντας τους σχεδιαστές σύντηξης με την προοπτική μικρότερων, φθηνότερων αντιδραστήρων. Ωστόσο, είναι εύθραυστα υλικά, έτσι «πολλοί άνθρωποι τα είχαν παρατήσει», λέει ο Rod Bateman της Tokamak Energy, της βρετανικής startup που στοιχηματίζει επίσης στην τεχνολογία. "Ήταν πολύ αναξιόπιστοι."
Την τελευταία δεκαετία, οι ερευνητές ανέπτυξαν τρόπους για την εναπόθεση λεπτών στρωμάτων υπεραγώγιμου οξειδίου του χαλκού βαρίου σπάνιων γαιών (ReBCO) σε μεταλλική ταινία. Οι ταινίες μπορούν να κατασκευαστούν αξιόπιστα σε μεγάλα μήκη και να αποδίδουν καλύτερα σε περίπου 10 K. Αλλά όσον αφορά τη μηχανική χαμηλής θερμοκρασίας, "10 K είναι πολύ πιο εύκολο από 4 K", λέει ο μηχανικός μαγνητών John Smith της General Atomics στο Σαν Ντιέγκο. .
Οι ταινίες ReBCO μπορούν να λυγίσουν, αλλά, επειδή είναι επίπεδες, είναι δύσκολο να τυλιχτούν σε πηνία, λέει ο Mumgaard. «Πρέπει να σταματήσεις να το αντιμετωπίζεις σαν σύρμα και να του ζητάς να κάνει τα πράγματα που κάνει το σύρμα». Η Commonwealth έχει αναπτύξει ένα καλώδιο με στοιβαγμένα στρώματα ταινίας που στρίβουν σαν ρίγες από ζαχαροκάλαμο. Η εταιρεία πιστεύει ότι τα καλώδια μπορούν να μεταφέρουν αρκετό ρεύμα για να δημιουργήσουν ένα πεδίο 20 tesla -1,5 φορές ισχυρότερο από αυτό του ITER- σε μαγνητικά πηνία πλάτους μόλις λίγων μέτρων. Η Tokamak Energy ακολουθεί μια απλούστερη, πιο συμπαγή προσέγγιση:περιέλιξη πηνίων με επίπεδη ταινία, το ένα στρώμα πάνω στο άλλο σαν ρολό ταινίας Scotch. "Κάνει την περιέλιξη πολύ πιο απλή", λέει ο Bateman.
Μια άλλη πρόκληση και για τις δύο εταιρείες είναι η προσφορά. Μαζί, οι κατασκευαστές ταινίας ReBCO παρήγαγαν μόνο μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα ετησίως και η Commonwealth χρειάζεται 500 χιλιόμετρα μόνο για να φτιάξει τον πρώτο της μαγνήτη δοκιμής. «Οι κατασκευαστές κλιμακώνονται σαν τρελοί τώρα», λέει ο Bateman. "Το Fusion είναι η αγορά που περίμεναν οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας."
Οι επόμενοι μήνες είναι κρίσιμοι για τις δύο εταιρείες. Μετά από χρόνια μοντελοποίησης και πειραμάτων, και οι δύο κατασκευάζουν δοκιμαστικούς μαγνήτες για να δείξουν τα πεδία 20 τέσλα που χρειάζονται για μια συμπαγή συσκευή. Η Κοινοπολιτεία βρίσκεται στη διαδικασία περιέλιξης ενός ενιαίου μαγνήτη ύψους 2,5 μέτρων, σχήματος D, ελαφρώς μικρότερου από αυτό που έχει προγραμματιστεί για το SPARC. Ωστόσο, λέει ο Mumgaard, όταν ολοκληρωθεί τον Ιούνιο θα είναι ο μεγαλύτερος υπεραγώγιμος μαγνήτης υψηλής θερμοκρασίας που κατασκευάστηκε ποτέ.
Η Tokamak Energy ελπίζει σε παρόμοια ένταση πεδίου στη δοκιμή της για ένα πλήρες σύνολο 16 πηνίων, μεγέθους για δοκιμαστικό αντιδραστήρα πλάτους περίπου 1 μέτρου. Ο Bateman λέει ότι η εταιρεία θα αρχίσει να κουρδίζει τους μαγνήτες της τις επόμενες εβδομάδες και ελπίζει να τους δοκιμάσει μέχρι το τέλος του έτους. Εάν πετύχει, η εταιρεία θα ξεκινήσει την κατασκευή ενός αντιδραστήρα επίδειξης, ST-F1, που έχει προγραμματιστεί για το 2027.
Οι επιστήμονες της σύντηξης έχουν συνηθίσει να βλέπουν σχέδια χαρτιού να έρχονται και να φεύγουν. Αλλά αν οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες υψηλής θερμοκρασίας μπορούν πραγματικά να επιτύχουν 20 tesla, ο Smith λέει, "Θα είναι μια εκπληκτική δήλωση για την τεχνολογία."
