5 mogelijke wegen voor een doorbraak in fusie-energie

Tientallen bedrijven racen om elektriciteit te leveren uit fusie – een koolstofvrije vorm van elektriciteit die vaak wordt vergeleken met een ‘ster in een fles’.

Hoewel gedacht werd dat fusie-energie nog ver weg was, tekende Microsoft in mei ‘s werelds eerste contract voor de aankoop van door fusie geproduceerde elektriciteit. Het is een teken dat een bedrijfstak die lang als sciencefiction werd beschouwd, een nieuw niveau van commerciële volwassenheid bereikt.

Helion, het bedrijf dat de deal met Microsoft heeft getekend, is slechts een van de tientallen bedrijven, gesteund door miljarden aan durfkapitaal, die racen om de energiebron commercieel te gebruiken – en onder grote druk staan ​​om resultaten te laten zien.

De bijzondere fysica van fusie maakt het vakgebied divers.

“Er is een bijna ongelooflijke verscheidenheid aan technologische benaderingen die fusie proberen te bereiken, wat deel uitmaakt van de opwinding van de afgelopen jaren”, vertelde Dennis Whyte, directeur van het MIT Plasma Science and Fusion Center, aan The Hill.

Hier is een overzicht van de belangrijkste paden – en de entiteiten die daarop volgen – te beginnen met het enige bekende voorbeeld van succesvolle fusie-energie: onze zon.

Een ster in een fles?

In zekere zin is bijna alle elektriciteit op aarde afkomstig van kernfusie.

Het licht en de warmte die de aarde verwarmt, haar wind- en watercycli aandrijft en haar plantenleven laat groeien, is afkomstig van de zon – een gigantische fusiereactie op 150 miljoen kilometer afstand.

Vanwege de bijdrage van de zon aan het weer is alle elektriciteit die afkomstig is van wind, zon, biomassa en waterkracht ook een fusieproduct.

En aangezien fossiele brandstoffen afkomstig zijn van onvoorstelbaar oude, sterk samengeperste lichamen van oude planten, maakt dit ook olie, gas en steenkool tot een product van fusie.

Fusie-energie komt vrij wanneer twee atomen tegen elkaar worden gedrukt totdat ze in elkaar storten. Het is een proces dat tegengesteld is aan het splitsen van atomen, of splijting, dat de huidige vormen van kernenergie aandrijft.

Maar het kost veel meer energie om atomen te fuseren dan om ze te scheiden. Daarom is – tot nu toe – de enige plaats waar een continue fusiereactie is waargenomen, in sterren.

In sterren zoals onze zon kan de destructieve zwaartekracht die wordt veroorzaakt door hun enorme omvang de vlammen van fusie in stand houden. (De zon is 1,3 miljoen keer groter dan de aarde.)

Deze cruciale rol van zwaartekracht (en grootte) vormt een serieus probleem voor aardbewoners die fusiekracht proberen op te wekken.

“Wij zeggen [fusion power is] een ster bouwen, maar je kunt een ster op aarde niet letterlijk nabootsen, omdat er een reden is waarom sterren zo groot moeten zijn’, zegt Whyte, een fusie-onderzoeker aan het MIT.

“Daarom zijn er geen kleine sterren in de buurt,” voegde Whyte eraan toe.

Tokamak: magnetische donut

Zonder toegang tot de krachtige zwaartekracht van de zon, vereist de zoektocht naar aardse fusie een andere krachtige kracht om atomen samen te brengen.

In de meeste gevallen betekent dit magneten. De dominante vorm van fusie maakt gebruik van een donutvormige reactor gewikkeld in magnetische spoelen – wat de Sovjetwetenschappers die het uitvonden een tokamak noemden. (Het woord komt van het Russische acroniem voor “toroidale kamer met een axiaal magnetisch veld.”)

In die donut, die voor het eerst met succes werd gebruikt in 1958, konden gaswolken samensmelten om temperaturen te bereiken die voldoende waren om fusie te bereiken, een benadering die nu wordt gezien in projecten van het Europese ITER tot het Chinese OOST.

Zonder toegang tot de enorme omvang van de zon moeten fusiereactoren ook veel meer warmte produceren, wat tokamaks zijn.

In 2021 opereerde een internationaal team van EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) bij 120 miljoen graden Celsius, of 216 miljoen graden Fahrenheit, voor een ongekende 101 seconden – uitvoertijd met een factor vier verhoogd in april.

Het is ook de benadering die het team van Whyte bij MIT nastreeft in samenwerking met Commonwealth Fusion Systems die 2 miljard dollar investeerde.

Stellarator: een donut draaien

De tokamak is niet het enige stuk op magneet gebaseerde fusietechnologie uit het tijdperk van de Koude Oorlog dat een moderne infusie van contant geld krijgt.

In maart kondigde Breakthrough Energy Ventures – een investeringsmaatschappij die eigendom is van Microsoft-oprichter Bill Gates – verzekerd van $ 29 miljoen aan startkapitaal om energieën te typen. (Gates was ook een financier van de Commonwealth-fusie.)

De Type One-benadering is gebouwd rond de stellarator, een poging om fusiekracht op te bouwen die in de jaren vijftig in Princeton werd bedacht, maar grotendeels werd verlaten ten gunste van tokamaks.

Als een tokamak op een geglazuurde donut lijkt, is de stellarator – die als een Mobius-strip om zichzelf heen draait – meer een cruller, zei een woordvoerder van Type One.

In theorie heft de gedraaide vorm instabiliteiten in het circulerende plasma op, waardoor de magnetische “kooi” waarin het zich bevindt veel stabieler is dan in een tokamak, vertelde Type One CEO Christofer Mowry aan The Hill.

Dit maakt het gemakkelijker om een ​​langdurige fusiereactie in stand te houden en uiteindelijk uit te vallen.

Maar het modelleren van de complexe fysica om een ​​stellarator te produceren was onmogelijk “tot de laatste 20 jaar toen supercomputing echt opkwam, en op basis daarvan konden ze daadwerkelijk beginnen met het ontwerpen van deze machines”, zei Mowry.

In 2018, door de overheid gefinancierde Wendelstein 7-X-fusie in Duitsland bereikte een record van drie seconden fusiehet inluiden van een nieuw tijdperk in stellaratoronderzoek dat Type One van plan is te lanceren.

Lasers en stralen: snelle ontsteking

De speciale fysica van fusie biedt een bijna oneindig aantal methoden om energie vrij te maken, vertelde Whyte aan The Hill.

Fusie is het product van twee factoren: de reactiesnelheid en de dichtheid van de beschikbare brandstof.

Stel je een vreugdevuur voor om dit principe in actie te zien, zei Whyte. Om het snel te laten branden, “kan het hout niet over de helft van de ochtend worden verspreid: het moet samen zijn, zodat elk blok naast zichzelf brandt.”

Als het hout daarentegen over de tuin wordt verspreid, kan het nog steeds branden, maar het duurt veel langer. “Dus de dichtheid kan vrij bescheiden zijn en de energieretentietijd moet hoger zijn”, zei hij.

Aan de ene kant brandt de zon (relatief) langzaam en koel; aan de andere kant zijn er pulsen en lasers, waarin een zak plasma die 10 miljoen keer dichter is dan die in een tokamak smelt in een periode die 10 miljoen keer korter is.

Dat was de aanpak die werd gezien in significante resultaten van het Lawrence Livermore National Laboratory in december, waar de fusiereactie voor het eerst werd uitgevoerd ooit meer energie vrijgemaakt dan werd geïnvesteerd.

Fusion Engine: het moeilijke deel overslaan

Ergens tussen de constante kracht van een tokamak of stellarator en de intensiteit van een flits in een schaal met lasers ligt een hybride aanpak waarin Microsoft vorige week heeft geïnvesteerd: de fusiemotor van Helion.

Tokamaks en stellarators kunnen niet rechtstreeks elektriciteit opwekken. In plaats daarvan laten hun fusiereacties een spervuur ​​van radioactieve neutronen vrij, die de metalen wanden van hun tank raken, waardoor warmte vrijkomt die kan worden gebruikt om water te koken voor een stoomturbine.

Het is een vorm van elektriciteitsopwekking die al meer dan een eeuw energiecentrales op basis van fossiele brandstoffen en kerncentrales aandrijft.

David Kirtley, CEO van Helion, heeft ook lang betoogd dat het niet nodig is – en, zo wordt soms gesuggereerd, een beetje fantasieloos. “Ik dacht: ‘Je vangt een ster en je gebruikt het om water te koken?’” vertelde hij in 2017 aan Rolling Stone.

De aanpak van Helion probeert de tussenpersoon op een onconventionele manier te verwijderen: door elektriciteit direct op te wekken uit de fusiereactie zelf.

Het maakt gebruik van het feit dat magnetische velden en elektrische stromen twee aspecten zijn van hetzelfde fenomeen – of beter gezegd, dat verstoringen in het magnetische veld, in dit geval veroorzaakt door een reeks kleine fusie-explosies, uitbarstingen van elektrische energie veroorzaken.

Omdat die aanpak geen stabiele, zelfvoorzienende reactie vereist, “hebben we fusiesystemen kunnen bouwen die veel, veel kleiner zijn dan welke andere fusiebenadering dan ook”, vertelde Kirtley vorige week aan The Hill.

“En dat betekent dat je ze sneller kunt bouwen, meer kunt leren en sneller energiecentrales kunt bouwen.”

Hoe snel? In een Rolling Stone-interview uit 2017 voorspelde Kirtley fusie-elektriciteit binnen 10 jaar – een voorspelling die hij nu financieel verplicht is om (min of meer) te vervullen.

Begin mei beloofde Helion Microsoft tegen 2028 50 megawatt aan fusie-energie te leveren, en het bedrijf riskeert financiële sancties als het faalt.