Wtoe James Watt se eerste kommersiële stoomenjin in Maart 1776 by Bloomfield Colliery, Tipton in die West Midlands geïnstalleer is, is dit as ‘n meganiese wonder beskou. Tog sou min kon verwag het hoe stoomenjins die wêreld sou verander.
Die tegnologie, wat aanvanklik ontwikkel is om water uit myne te pomp, is oor soveel nywerhede en toepassings aangepas dat dit die Industriële Revolusie ontketen het. Nou, volgens diegene wat aan die ontwikkeling van samesmeltingsenergie-kragsentrales werk, is ons op die punt van ‘n soortgelyke transformasie. “Ek sien hierdie hele poging het die eienskappe van ‘n algemene doeltegnologie in dieselfde gees as Watt,” sê Lu-Fong Chua, hoofstrategiebeampte van TAE Power Solutions in Birmingham.
Fusie is die energie-genererende meganisme wat die sterre laat skyn. Die cliche is dat mens-gemanipuleerde samesmelting op aarde altyd “30 jaar weg” is. Maar as ons dit kan laat werk, beloof dit sulke hoeveelhede skoon energie dat ons uiteindelik fossielbrandstowwe sal kan agterlaat.
Groot, staatsgeborgde pogings en, toenemend, private opstarters rapporteer deurbrake wat baie in die bedryf nou dink tot lewensvatbare samesmeltingsenergie sal lei. Om hul optimisme te onderstreep, het die Britse regering in 2022 die webwerf aangekondig vir die Sferiese Tokamak vir Energieproduksie (STAP)-projek, by West Burton in Nottinghamshire. Hierdie demonstrasie-aanleg beoog om teen die 2040’s elektrisiteit aan die nasionale netwerk te verskaf. En met die ontwikkeling van sulke samesmeltingskragsentrales skep ons nuwe tegnologieë en oplossings wat ver verby die taak van energieopwekking kan reik.
Byvoorbeeld, TAE Power Solutions is ‘n uitvloeisel van Amerika se TAE Technologies, wat in 1998 gestig is om kommersiële samesmeltingskrag te ontwikkel. Die firma, wat verplig is om ‘n manier uit te vind om 750 megawatt (die krag wat nodig is om hul eksperimentele reaktor tot lewe te bring) te versamel en te stoor vanaf ‘n kommersiële elektrisiteitsnetwerk wat slegs 2 megawatt kan lewer, pas nou sy deurbrake aan om doeltreffender batterye vir die volgende te verskaf. opwekking van elektriese voertuie.
“Ons sien dit nie as byprojekte nie; ons sien dit as gelukkige neweprodukte wat op hul eie baie hoë intrinsieke waarde het vir probleme en uitdagings buite energieopwekking,” sê Chua.
In die Verenigde Koninkryk het die Atomic Energy Authority (UKAEA) die Fusion Cluster by Culham in Oxfordshire om die groei van ‘n samesmeltingsbedryf te stimuleer.
Sedert sy stigting in 2021, het die groepering gegroei van ‘n handjievol maatskappye tot meer as 200. Alhoewel die sleuteldoelwit steeds die ontwikkeling van die vaardighede en tegnologie is wat nodig is om ‘n Britse kommersiële samesmeltingskragsentrale teen die 2040’s te bou, en om die newe-effekte te kommersialiseer is ook ‘n hoë prioriteit.
“Een van die rolle wat die Fusion Cluster speel, is om mense te vertel dat nie net samesmelting kom nie, maar dat daar waarde daaruit is selfs jare voordat ons die eerste samesmeltingskragsentrales gekry het, want ons het hierdie bemagtigende tegnologieë aan die opkoms,” sê Valerie Jamieson, die sentrum se ontwikkelingsbestuurder.
Dit is ‘n boodskap wat belegging stimuleer, soos Greg Piefer, stigter en uitvoerende hoof van Shine Technologieshet in die vroeë 2000’s besef toe hy gesien het dat die ontwikkeling van kommersiële samesmeltingskrag ‘n lang en duur pad gaan wees. Dit het hom laat dink aan hoe die tegnologieë wat ontwikkel word vir wins langs die pad ontplooi kan word, sodat beleggers ‘n meer onmiddellike opbrengs op hul geld kon sien. “Dit is uiters noodsaaklik vir die missie om samesmelting te kommersialiseer,” sê hy.
Daar is tans vier sleutelareas waarin samesmelting-afwenteltegnologie ‘n sleutelrol speel.
Aandrywing
Een van die oënskynlik onmoontlike dinge wat ‘n samesmeltingsreaktor moet doen, is om ‘n gas te beperk tot ongeveer 100m celsius – warm genoeg om enige materiaal te smelt. Gelukkig word die gas by daardie temperatuur elektries gelaai en kan dus deur magnetiese velde beheer word.
Die sterkte van die veld bepaal die grootte van die reaktor, en dus hoe kostedoeltreffend dit is om te bou. Dus, die skep van hoogs doeltreffende magnete was ‘n kerndoelwit van Tokamak Energiedeel van die Fusion Cluster en het sy hoofkwartier in Milton Park, Oxfordshire. In 2023 het hulle die skepping van ‘n nuwe generasie hoë-temperatuur supergeleidende magnete aangekondig wat stabiele magnetiese velde 10 of selfs 20 keer sterker as bestaande tegnologie lewer. Nie net maak sulke magnete ‘n pad oop na ‘n lewensvatbare samesmeltingsmasjien nie, maar hulle “kan transformeer [existing] markte en skep nuwe markte”, sê Warrick Matthews, uitvoerende hoof by Tokamak.
Een so ‘n gebied is die skepping van magnetohidrodinamiese (MHD) aandrywers. Bekend aan teoretici sedert die 1950’s, MHD-aandrywers gebruik magnetiese velde om strale van ‘n elektries gelaaide vloeistof te skep wat ‘n voertuig aandryf. Die skoonheid is dat hulle geen bewegende dele het nie, so ly geen slytasie nie.
Mariene toepassings is veral aantreklik omdat seewater elektrisiteit baie beter as varswater gelei. Aangesien die enjins stil is, beloof hulle ‘n groot vermindering in die skadelike geraasbesoedeling wat mariene omgewings raak. In die 1990’s het Mitsubishi die wêreld se eerste prototipe MHD-skip, die Yamato 1, gebou, maar die program is laat vaar toe sy topspoed net 15 km/h (net meer as 8 knope) was.
Deur baie hoër magnetiese velde te verskaf, en dus meer stukrag, behoort Tokamak Energy se magnete spelveranderend te wees. Die maatskappy werk tans saam met die US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) om die konsep met ‘n demonstrasietoestel te bewys.
Mediese toepassings
Daar is verskeie moontlike reaksies wat ‘n samesmeltingsmasjien kan gebruik om energie op te wek. In 1998 het TAE gekies om die samesmelting van booratome met protone na te streef, wat hul oë oopgemaak het vir ‘n ou navorsingsprogram om kanker te genees. Atoompioniers in die 1930’s het getoon dat boor ‘n sterk affiniteit gehad het om met neutrondeeltjies te reageer om in litium en helium te verdeel. In 1936 het Gordon Locher van die Franklin-instituut in Pennsylvania gewys op die reaksie se potensiaal om kankerselle te vernietig. Soos die litium- en helium terugslag, deponeer hulle hul energie oor ‘n reeks van ongeveer 5-9 mikrometer, die grootte van ‘n tipiese kankersel. Hierdie skielike vrystelling van energie vernietig die sel.
Terwyl die boor met dwelms in die pasiënt ingebring kan word, was dit ‘n groot probleem om ‘n geskikte bron van neutrone in die middel van die 20ste eeu te vind. Histories moes die pasiënt na ‘n kernreaktor geneem word en vanuit sy kern aan die neutrone blootgestel word. Skaars ideaal. Nou is die probleem amper opgelos. ’n Sleutelinnovasie van TAE se samesmeltingsprogram was die skepping van kompakte deeltjieversnellers wat gebruik kan word om styf gefokusde neutronstrale te genereer. In samesmelting word hulle gebruik om die reaktore aan te vul.
“Ons is in staat om daardie balke te neem en hulle te herkonfigureer vir mediese doeleindes,” sê Rob Hill, HUB van TAE Lewenswetenskappe.
na nuusbrief promosie
Die maatskappy is tans in gesprek met universiteitshospitale Birmingham en University College-hospitaal in Londen om eksperimentele apparaat te installeer. Intussen vervaardig Shine Technologies lutetium-177, ‘n medies bruikbare isotoop, in sy fasiliteite by Janesville, Wisconsin en Veendam in Nederland.
Die lutetium word ook gebruik om kanker te teiken, insgelyks gelewer op ‘n middel wat aan kankerselle bind. Anders as boor het dit nie neutrone nodig om dit te aktiveer nie. In plaas daarvan is dit radioaktief en verval met ‘n halfleeftyd van ongeveer ses-en-‘n-half dae, wat ‘n hoë-energie-elektron uitstraal wat die kankersel uitmekaar ruk. Dit straal ook ‘n gammastraal uit, wat die moontlikheid oopmaak van ‘n mediese beeldtoestel wat die vordering van die kanker en die doeltreffendheid van die behandeling kan naspoor.
Om so ‘n kort halfleeftyd te hê, beteken egter dat die isotoop nie in die natuur bestaan nie en moet dus met behulp van samesmeltingstegnologie geskep word.
Industriële beeldvorming
Een metode om samesmelting aan te steek, is om lasers te gebruik om ‘n korrel waterstofbrandstof saam te druk en te verhit. Tydens navorsing oor die lasers wat nodig was om dit te doen in die vroeë 2000’s by die Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornië, het fisikus Markus Roth en kollegas ontdek dat as hulle die teiken na ‘n dun foelie van materiaal verander, hulle deeltjies van die foelie tot groot snelhede kan versnel. .
In 2021 het Roth gestig Gefokusde Energie in Darmstadt, Duitsland om ‘n laserstelsel te ontwikkel wat in staat is om ‘n neutronstraal te versnel met 100 keer die intensiteit van bestaande tegnologieë. Neutrone kan soos X-strale vir beelding gebruik word, maar is meer deurdringend, wat beteken dat hulle in digter materiale kan sien, en Roth is tans in gesprek met siviele ingenieursfirmas om die stelsel te ontplooi om die staal binne betongeboue en brûe te inspekteer vir tekens van korrosie . Dieselfde tegniek kan ook deeltjies produseer wat muone genoem word, wat selfs groter beeldprojekte oopmaak.
Muone word natuurlik geskep wanneer deeltjies van die son atome in die Aarde se boonste atmosfeer tref. Hulle het geweldige deurdringende krag en is na 2011’s gebruik Fukushima kernongeluk om die gesmelte reaktorkern op te spoor. ‘n Soortgelyke stel detektors het ‘n voorheen versteekte kamer in 2017 in Egipte se groot piramide van Giza onthul. Geoloë het muone gebruik om die beweging van magma in vulkane voor uitbarstings te ondersoek.
Die nadeel is dat die hoeveelheid natuurlike muone relatief laag is. Hou jou hand na die son en net een muon sal elke sekonde deur jou palm beweeg. Gevolglik het dit vyf maande geneem om die Fukushima-kern te beeld.
Roth se lasermetode kan die aantal muone met ‘n faktor van 10 000 verbeter, wat die beeldproses geweldig versnel, hoewel die ontwikkeling van stelsels wat groot genoeg is om vulkane te bestudeer tans iewers in die toekoms lê.
Kernafvalhantering
Tans is die grootste uitvloeiprojek vir Gefokusde Energie ‘n kontrak met die Duitse regering om die eerste lasergedrewe neutronbron te bou vir die ondersoek van kernafvalhouers.
Nadat hy sy laaste oorblywende kernkragsentrales in 2023 gesluit het, moet Duitsland nou die afval, wat al dekades lank ophoop, hanteer. Focused Energy se beeldstelsel sal die inhoud van die vate bepaal, en in watter toestand die afval is, sodat dit veilig en finaal gestoor kan word.
Oorkant die Atlantiese Oseaan beplan Shine om dit een stap verder te neem. In plaas daarvan om neutrone te gebruik om die afval te beeld, as die neutronstraal meer intens gemaak kan word, kan dit die afval in minder skadelike stowwe omskep. Byvoorbeeld, tradisionele kernreaktors verdeel uraan-235 of plutonium-239 om energie te produseer. Die afvalproduk is jodium-129, met ‘n halfleeftyd van meer as 15 miljoen jaar. As dit egter met ‘n hoë-intensiteit neutronstraal gebombardeer kon word, sou dit omskep word in jodium-128, wat ‘n halfleeftyd van net 25 minute het.
“Jy kan binne ‘n dag van hierdie 10 miljoen jaar-probleem ontslae wees,” sê Piefer.
Dit blyk dat die soort neutrone wat nodig is om dit te doen in oorvloed in baie samesmeltingskragsentrales gemaak sal word. Die reaktors van die toekoms sal dus nie net die wêreld se energieprobleme oplos nie, maar kan ingespan word om te help om die vuil nalatenskap van die eerste kernreaktors skoon te maak.
“Ek glo dat samesmelting uiteindelik ‘n spelwisselaar sal wees soortgelyk aan die stoomenjin,” sê Roth. “Ons sal baie dinge in ons samelewing kan doen wat voorheen nie moontlik was nie, en dit begin met die skoonmaak van baie van die gemors van die Industriële Revolusie.”
