Gigantisk 70-fots kjernefysisk fusjonspistol kan forandre verden

På et stille industriområde i England blir stillheten av og til brutt av dunket fra en 72 fot lang pistol. På enden av tønnen blir en stjerne født.

The Big Friendly Gun (BFG) er en prototype for det det britiske atomfusjonsselskapet First Light Fusion håper vil være fremtiden for energiproduksjon.

Videoen over viser en prøvebrann ved selskapets anlegg. Fra trygg avstand og atskilt fra den av en tykk vegg av betong, ser teamet på mens data strømmer inn fra pistolens sensorer. Hver testbrann tar verden et skritt nærmere det som potensielt vil være en effektivt grenseløs kilde til ren kraft.

Den gigantiske stålpistolen fungerer ved å avfyre ​​et høyhastighetsstempel med 6,6 pund krutt. Stemplet komprimerer hydrogengass mens det beveger seg, går inn i et kjeglesegment som knuser gassen til et lite punkt før det sprenger gjennom en metalltetning. Dette skyter et prosjektil med 4,3 miles per sekund inn i et vakuumkammer der det treffer et atomfusjonsdrivstoffmål, og produserer midlertidig forholdene der kjernene kan smelte sammen.

First Light Fusion sier at den ble tatt i bruk, designet og bygget for £1,1 millioner ($1,27 millioner) i løpet av 10 måneder. Det er ingenting annet som det i verden.

Fusjonen av atomkjerner er den samme prosessen som driver solen vår, og forskere har forsøkt å gjenskape det på jorden i nesten 100 år, siden denne reaksjonen produserer mer energi enn fossilt brensel med ingen karbonutslipp eller radioaktive biprodukter.

I tillegg kan drivstoffet som trengs for reaksjonen, som typisk er hydrogenisotopene deuterium og tritium, produseres kunstig. Som sådan ville fusjonskraft, hvis vi kan utnytte den, ikke bare være ren, men rikelig.

First Light Fusions tilnærming – kjent som treghetsfusjon – er langt fra kanskje den vanligste og mye mer kompliserte tokamak tilnærming, hvor plasmagass sirkuleres ved hjelp av gigantiske magneter. Men det fungerer, og administrerende direktør Nick Hawker tror det kan endre spillet.

“Jeg vil beskrive tokamaks som den ledende tilnærmingen innen magnetisk fusjon,” sa Hawker Newsweek. “Fysikken er ganske klar – den har blitt veldig godt karakterisert.”

Gjennom alle årene med å studere tokamak-teknologi, er hovedspørsmålet hvordan plasmaet mister energi. Forskere har funnet ut at energien i plasmaet har en tendens til å blø over de intense magnetfeltlinjene som er involvert i reaksjonen, noe som får reaksjonen til å svimle ut. Som sådan har ingen klart å oppnå netto energigevinst – mer energi generert enn energi som kreves for å kjøre maskinen – med en tokamak.

“Netto energiøkning har blitt demonstrert med treghetsfusjon, men driveren, i stedet for å være en laser, var en underjordisk våpentest,” sa Hawker. “Så det er det empiriske beviset der på at du kan oppnå høy energigevinst med treghetsfusjon.

“Jeg føler meg litt urettferdig å gi dette som en kritikk av magnetisk fusjon fordi utfordringene vi vet om er på grunn av arbeidet som er gjort innen magnetisk fusjon, og det er det som har gjort det mulig for oss å komme opp med en tilnærming som omgår dem.”

En slik utfordring er den rene volden involvert i fusjonsreaksjoner. Tokamaks må sirkulere plasma ved temperaturer på 180 millioner grader Fahrenheit for å generere fusjon, alt mens nøytroner fra fusjonsreaksjonen slår mot innsiden av reaksjonskammeret.

“Det er en av de største utfordringene for tokamaks – overlevelsesevnen til vakuumkammeret og hvor ofte du må bytte det ut,” sa Hawker. “Det er som plast som du har lagt igjen i solen. Det som skjer når du lar plast ligge lenge i solen, er at UV-lyset ødelegger materialstrukturen i plasten, og den faller fra hverandre i hendene dine. Nøytronene fra fusion gjør det med konstruksjonsstål, så det er litt av et problem.”

First Light Fusions reaktordesign tar sikte på å omgå dette ved å skjerme reaktorveggene med væske, som absorberer nøytronene og utsetter stålstrukturen i kammeret for mindre nøytronbombardement sammenlignet med en tokamak.

BFG er bare ett skritt mot denne endelige visjonen. Selskapet jobber for tiden med sin neste maskin, M3, som er en viltvoksende masse elektriske kondensatorer som alle er rettet mot å bruke en elektrisk strøm for å akselerere et prosjektil med 1 milliard Gs til 20 kilometer i sekundet, og øke kollisjonshastigheten. Kort sagt, det er mer sofistikert enn krutt.

Når vil fusjonsenergi være på nettet?

Hawker forventer at First Light Fusion-reaktoren vil generere brukbar elektrisitet på 2030-tallet og at strøm vil være på nettet innen det neste tiåret. Så hvordan ville en gigantisk pistolreaktor se ut?

“Jeg liker å si at magnetisk fusjon er som en ovn,” sa Hawker. “Det er en alltid varm prosess fordi partiklene går rundt smultringen. Mens treghetsfusjon er mer som en forbrenningsmotor. Det er en pulsert prosess hvor du har en repetisjonshastighet og energien per hendelse multiplisert med frekvensen gir deg makt.”

Denne analogien kan videreføres når man vurderer at forbrenningsmotorer har en tennplugg som tenner gassen for å holde prosessen i gang. Ofte i treghetsfusjon er denne tennpluggen en laser. Når det gjelder First Light Fusion, er det et høyhastighetsprosjektil. Ifølge Hawker tjener denne metoden på å være billigere og enklere.

Prosjektilet treffer fusjonsmålet raskt. Selskapets måldesign forsterker dette slagtrykket til rundt 1 terapascal eller 10 millioner ganger mer trykk enn jordens atmosfære, og produserer en sky av varme og nøytroner. Denne varmen overføres deretter til en væskestrøm som beveger seg rundt det indre reaksjonskammeret og overføres igjen til en tank med vann, og varmes opp til en temperatur på over 1000 grader Fahrenheit.

“Vi elsker damp,” sa Hawker. “Det er lav risiko, det er enkelt. Jeg vil ha en veldig kjedelig kraftverksdesign, og jeg vil bare ha en ny ting, som er kjerneprosessen. Alt annet vil jeg ha så standard som mulig.”

I First Lights hypotetiske reaktor på nettet forventes denne prosessen å gjenta seg selv en gang hvert 90. sekund – ikke så raskt som noen andre talsmenn for treghetsfusjon, som ser for seg at laserbaserte reaktorer gjentar reaksjonene sine 10 ganger per sekund. Likevel er selv ett kinetisk støt en gang per 90 sekunder nok til å frigjøre enorme mengder kraft.

“Hvert mål vil frigjøre omtrent samme mengde energi som et fat olje,” sa Hawker. “Det er bokstavelig talt en million ganger mer energitett enn en kjemisk reaksjon. Det er mer energitett enn kjernefysisk fisjon også.”

Det neste tiåret er et stykke unna, og klimakrisen krever en kraftigere endring av energivanene våre enn det fusjon i dag kan love å gi. Men verden trenger en banebrytende energiteknologi, og sent er bedre enn aldri. For det formål fortsetter Hawker og teamet hans å stikke fingrene i ørene og trykke «fire».