Sferische fusievaartuigen en mayonaise – Onze toekomstige energiebehoeften opnieuw vormgeven

Fusie-energie is net zo oud als ons kosmische systeem. Het voedt de zon en de sterren. Echter, de toepassing ervan op onze planeet is nog steeds experimenteel.

Volgens een midden-juli rapport stegen de investeringen in het veld dit jaar met meer dan $900 miljoen tot ongeveer $7,1 miljard. Experts geloven echter dat de groei van de investeringen nog niet voldoende is. Het is lager dan de stijging van US$1,4 miljard die vorig jaar werd bereikt en US$2,8 miljard in 2022.

“De groei die de afgelopen 12 maanden is gezien is positief, maar zal niet genoeg zijn om de ambitieuze doelen van fusie te realiseren.”

Zoals in elke andere sector kan groei alleen worden bereikt door innovatie. Vandaag zullen we een dergelijke efficiënte en cruciale innovatie verkennen — gericht op het elimineren van de noodzaak voor een ohmische verwarmingssolenoïde — die de meest impactvolle ontwerpfactor kan zijn bij het realiseren van economische, compacte fusietokamak-reactorsystemen.

Maar voordat we dieper ingaan op het onderzoek en de implicaties ervan, moeten we een kort overzicht hebben van hoe de wetenschap van fusie-energie werkt en welke rol tokamaksystemen daarin spelen.

De wetenschap van fusie-energie en tokamaksystemen

Het is een multidisciplinair wetenschapsgebied dat streeft naar het ontwikkelen van een energiebron gebaseerd op gecontroleerde fusie. Het basisprincipe van fusie omvat het combineren van twee kernen tot één kern.

Op een meer praktisch niveau omvat fusie op aarde het creëren van omstandigheden die leiden tot de generatie van duurzame plasma’s, die gassen zijn zo heet dat elektronen loskomen van atoomkernen. Onderzoekers gebruiken elektrische en magnetische velden om de resulterende verzameling ionen en elektronen te beheersen omdat ze elektrische ladingen hebben. Het mechanisme is wat de naam gecontroleerde fusie inspireert.

Tokamaksystemen helpen plasma te confineren met behulp van magnetische velden in een donutvorm die een torus wordt genoemd. In de loop der jaren zijn tokamaks uitgegroeid tot het leidende concept voor plasma-confinement voor de fusiekrachtcentrales van de toekomst. Het onderzoek dat we in het komende segment zullen bespreken, richt zich op het optimaliseren van de tokamak-ruimte.

Compacte, sferische fusievaartuigen: een kleinere tokamak als een economischere fusieoptie

Een uitgebreid team van onderzoekers staat aan het roer van dit onderzoek, waaronder wetenschappers van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), het private bedrijf Tokamak Energy en de Kyushu Universiteit in Japan. Hun voorstel is eenvoudig in termen van het idee: een compact, sferisch fusiepilotplant dat plasma verwarmt met alleen microgolven.

 Het gebruik van microgolven zou de noodzaak voor een massieve koperen spoel, een solenoïde genoemd, die zich dicht bij het midden van het vaartuig bevindt om het plasma te verwarmen, elimineren. 

Terwijl hij de bruikbaarheid van het verwijderen van deze conventionele ohmische verwarmingsmethode toelichtte, zei Mayasuki Ono, de hoofdonderzoekfysicus bij PPPL en de hoofd auteur van het artikel:

“Een compact, sferisch tokamak-plasma lijkt op een appel met een kern en een relatief kleine kern, dus er is geen ruimte voor een ohmische verwarmingsspoel. Als we geen ohmische verwarmingsspoel hoeven op te nemen, kunnen we waarschijnlijk een machine ontwerpen die gemakkelijker en goedkoper te bouwen is.”

Om zijn doel te bereiken maakt het experiment gebruik van een technologie genaamd ECCD, wat staat voor Electron Cyclotron Current Drive, die tegelijkertijd een stroom kan aandrijven en het plasma kan verwarmen. De onderzoekers hebben bovendien een computercode ontwikkeld genaamd TORAY, die in combinatie met een andere genaamd TRANSP de richthoeken van de straal kan scannen om de hoogste efficiëntie te bepalen en de benodigde stroomvoorziening te minimaliseren.

De onderzoekers hebben bovendien de ECCD-modus geïdentificeerd die het beste werkt voor elke fase van het verwarmingsproces. De waarschijnlijke keuzes omvatten twee modi:

• O-modus of gewone modus
• X-modus of buitengewone modus

Beide modi zijn nuttig en dragen bij aan de algehele werking van het systeem. De X-modus werkt het beste wanneer men de temperatuur en stroom van het plasma moet opvoeren. De O-modus is de meest geschikte optie om de temperatuur en stroom van het plasma te behouden na de opvoering. 

Samenvattend de alternatieve verwarmingsopties, zei Ono:

“O-modus is goed voor een hoogtemperatuur, hoogdichtheidsplasma. Maar we ontdekten dat de efficiëntie van O-modus zeer slecht wordt bij lagere temperaturen, dus je hebt iets anders nodig om het lage temperatuurregime te behandelen.”

De onderzoekers benadrukten ook het belang van het vrij houden van het plasma van onzuiverheden. Sterke magnetische velden confineren het plasma grotendeels binnen een tokamak in een specifieke vorm, maar soms kan het plasma dicht bij de binnenwanden van de tokamak komen, waardoor atomen van de wanden kunnen sputteren en het plasma binnendringen. 

Hoewel de onderzoeksvoorstellen nog experimenteel zijn, zien we al de betrokkenheid van commerciële entiteiten die deze oplossing kunnen voortzetten, opschalen, en de toepassing van fusie-energie meer geoptimaliseerd en energie-efficiënt maken. In het komende segment bespreken we Tokamak, het bedrijf dat al betrokken is geweest bij het proces. 

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak staat aan de voorhoede van de ontwikkeling van de technologie die nodig is om fusie-energie succesvol te leveren in de jaren 2030. Haar visie is om fusie-energie schoon, veilig, betaalbaar en gemakkelijk beschikbaar te maken.

Tot nu toe heeft het bedrijf 77 families van octrooiaanvragen verworven en in totaal US$250 miljoen opgehaald. Van deze US$250 miljoen kwamen US$200 miljoen van particuliere investeerders, en de rest van de regeringen van het VK en de VS.

In haar operationele leven heeft het bedrijf veel prestaties toegevoegd. Bijvoorbeeld, in 2022 werd het bedrijf het eerste private fusiebedrijf dat een plasma-iontemperatuur van 100 miljoen graden Celsius bereikte in een tokamak, de drempel voor fusie op commerciële schaal.

Datzelfde jaar kreeg het bedrijf ook de hoogste plasma-‘triple product’ van elk privé-fusiebedrijf, een belangrijke maat voor plasma-temperatuur en confinementsduur.

We hebben al de sferische Tokamak besproken, die een van de best onderzochte en breed erkende paden naar fusie-energie is. De voordelen omvatten operationele efficiëntie, plasma-stabiliteit en kosteneffectiviteit.

Tokamak’s ST40 high-field compacte sferische tokamak is een van de meest geavanceerde op dit gebied. Daarmee bereikte Tokamak een plasma-iontemperatuur van 100 miljoen graden Celsius, wat zes keer heter is dan het centrum van de Zon.

Tokamak bouwt ook een Demo4-magnetsysteem in een speciaal gebouwde testfaciliteit. Het systeem bestaat uit 44 individuele HTS-coils die zijn samengevoegd tot 14 toroidale veldarmen en twee poloidale veldcoils in een kooi-achtige structuur. Het kan opereren in een vacuüm bij 20 Kelvin (-250°C) met een magnetisch veld dat bijna een miljoen keer sterker is dan het magnetisch veld van de aarde.

#2. Helion

Een ander bedrijf dat baanbrekend werk doet in dit veld is Helion. Het bedrijf beweert de eerste fusie-energiecentrale ter wereld te hebben gebouwd. Helion’s fusiegenerator is ook in staat om fusiebrandstof te verwarmen tot meer dan 100 miljoen graden Celsius.. Bovendien kan het elektriciteit extraheren met een hoogrendement pulserende benadering.

Wat de technologie betreft, maakt Helion’s oplossing gebruik van magneto-inertiële fusietechnologie. Helion’s technologie heeft drie opvallende kenmerken die het onderscheiden van andere benaderingen in dit domein. Om de aanpassing van de vermogensoutput op basis van behoefte mogelijk te maken, maakt het bedrijf gebruik van een gepulst, niet-ontbrandings fusiesysteem.

Net als een regeneratief remsysteem in een elektrische auto, kan het Helion-systeem direct elektriciteit terugwinnen. Dit maakt het Helion-systeem veel energie-efficiënter, aangezien de andere beschikbare fusiesystemen water verwarmen om stoom te creëren die de turbine aandrijft, waardoor veel energie verloren gaat.

Helion gebruikt deuterium en helium-3 (D-³He) als brandstof. De fusie van deze twee produceert geladen deeltjes die direct kunnen worden teruggewonnen als elektriciteit, waardoor het systeem klein, efficiënt, snel en kosteneffectief blijft. Het gebruik van deuterium en helium-3 (D-³He) als brandstof helpt neutronemissies te verminderen en verlaagt aanzienlijk de technische uitdagingen die ontstaan bij het gebruik van deuterium-tritium brandstof.

Belangrijk is dat het bedrijf gelooft dat haar fusie-energie een van de goedkoopste elektriciteitsbronnen kan worden, idealiter elektriciteit producerend tegen een tarief van US$0.01 per kWh.

Volgens de meest recente beschikbare informatie kon het bedrijf, opgericht in 2008, US$500 miljoen ophalen tegen het einde van 2021, met een waardering van $1,25 miljard. Deze laatste ronde werd geleid door Sam Altman, CEO van OpenAI, die persoonlijk $375 miljoen investeerde, wat het sterke geloof in Helion’s potentieel om de energieproductie te revolutioneren via fusietechnologie onderstreept. De totale financiering bedraagt nu $577 miljoen, die zal worden gebruikt om Helion’s zevende prototype, Polaris, te voltooien en dichter bij de commercialisering van fusie-energie tegen 2024 te komen.

Geavanceerd technologisch werk van bedrijven zoals Tokamak en Helion helpt de fusie-energiesector grote stappen te maken. Het specifieke onderzoek dat we citeerden om onze discussie te starten, was een resultaat van een publiek-private samenwerking. Het toont aan dat er een gestage en systemische overdracht van kennis en capaciteiten is tussen onderzoeksinstellingen en commerciële bedrijven.

De toekomst van fusievaartuigen: innovatief denken naar optimalisatie van middelen

Succesvol worden met fusie zou vereisen dat men dieper in de wetenschap duikt. De wetenschappers zijn nieuwsgieriger dan ooit.

Mayonaise helpt onderzoekers bij het oplossen van complexe fusie-energie-uitdagingen

Een team van onderzoekers van de Lehigh University gebruikt mayonaise als een belangrijk ingrediënt in hun lopende onderzoek naar de fasen van Rayleigh-Taylor-instabiliteit. Dit onderzoek kan de ontwerprichtlijnen van toekomstige inertiële inperking fusieprocessen voor schone energie informeren.

Volgens Arindam Banerjee, de Paul B. Reinhold Professor of Mechanical Engineering and Mechanics aan de Lehigh University en voorzitter van de MEM-afdeling in het P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Het team werkt nog steeds aan hetzelfde probleem, namelijk de structurele integriteit van fusiecapsules die worden gebruikt in inertiële inperking fusie, en Hellmann’s Real Mayonnaise helpt ons nog steeds bij het zoeken naar oplossingen.”

Mayonaise helpt het team door te fungeren als een vaste stof die begint te vloeien wanneer het wordt onderworpen aan een drukgradiënt. Het Rayleigh-Taylor-probleem, een bekend fenomeen in de natuurkunde, omvat het verschijnsel dat optreedt tussen materialen met verschillende dichtheden wanneer de dichtheids- en drukgradiënten in tegenovergestelde richtingen liggen, waardoor een onstabiele stratificatie ontstaat. Het gebruik van mayonaise helpt mogelijke oplossingen uit te proberen terwijl de noodzaak voor hoge temperaturen en drukcondities, die buitengewoon moeilijk te beheersen zijn, wordt geëlimineerd.

Koude fusie zonder extreme temperaturen

Een andere recente doorbraak in koude fusie heeft de hoop hernieuwd op het bereiken van schone energie zonder de noodzaak van extreem hoge temperaturen en plasma, traditioneel geassocieerd met kernfusie.

Deze ontwikkeling, die lange tijd werd beschouwd als fringewetenschap, omvat het gebruik van materiaalkunde, zeldzame metalen en specifieke chemische processen om kernfusie bij lagere temperaturen te bereiken.

De wetenschappelijke gemeenschap had koude fusie eerder verworpen vanwege het onvermogen om vroege experimentele resultaten te repliceren, maar een nieuwe peer-reviewed studie gepubliceerd in Nature suggereert een mogelijke weg vooruit door neutronemissies te observeren tijdens experimenten met geduterde titaanpoeder onder akoestische cavitatie. Deze ontdekking kan de weg vrijmaken voor meer onderzoek naar koude fusie als een levensvatbare alternatieve energiebron, met het potentieel voor schone, vrijwel onbeperkte energie.

De bevindingen van de studie dagen het lang bestaande geloof uit dat kernfusie de extreme omstandigheden van sterren vereist, zoals miljoenen graden temperatuur en krachtige magnetische velden. In plaats daarvan verkent deze nieuwe benadering het potentieel om fusie te bereiken via verschillende mechanismen, wat het energielandschap kan revolutioneren door een meer toegankelijke en minder hulpbronnen-intensieve methode voor energieopwekking te bieden.

Als het succesvol is, zou koude fusie de enorme infrastructuur en energie-invoer die traditionele fusiemethoden vereisen kunnen omzeilen, waardoor het een game-changer wordt in de zoektocht naar duurzame en schone energieoplossingen.

AI: een game-changer in het stabiliseren van nucleaire fusie-reacties

Met toenemende verfijning en groeiende mogelijkheden revolutioneert AI het veld van nucleaire fusie door plasma-instabiliteiten te voorspellen en te voorkomen, die historisch de duurzaamheid van fusie-reacties hebben belemmerd.

Onderzoekers aan de Princeton University en het Princeton Plasma Physics Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een AI-model ontwikkeld dat in staat is om plasmaverstoringen, zoals tearing-mode-instabiliteiten, tot 300 milliseconden vóór hun manifestatie te voorspellen. Dit stelt de AI in staat om realtime aanpassingen te maken aan de parameters van de reactor, waardoor de stabiliteit van het plasma behouden blijft en de reactie niet voortijdig wordt beëindigd.

De voorspellende kracht van de AI komt voort uit haar training op gegevens van eerdere experimenten, waardoor ze dynamisch kan reageren op potentiële instabiliteiten op manieren die traditionele op fysica gebaseerde modellen niet kunnen.

Aangezien plasma van nature onstabiel en complex is, is het behouden van zijn stabiliteit een aanzienlijke uitdaging geweest bij het in stand houden van nucleaire fusie. Traditioneel richtten methoden zich op het mitigeren van instabiliteiten pas nadat ze begonnen waren het plasma te verstoren, vaak te laat om de reactie te redden.

Door gebruik te maken van de mogelijkheid van AI om deze instabiliteiten te voorspellen en proactief tegen te gaan, wordt het fusieproces stabieler en levensvatbaarder, waardoor het dichter bij de realisatie van praktische en duurzame fusie-energie komt. Deze vooruitgang vergroot niet alleen de vooruitzichten van fusie als een onbeperkte energiebron, maar benadrukt ook de cruciale rol die AI speelt bij het overwinnen van de meest uitdagende obstakels in fusieonderzoek.

Wat brengt de toekomst?

De toekomst zal bedrijven zien die fusie-energioprototypen ontwikkelen die ruimte en het gebruik van hulpbronnen optimaliseren in termen van energie en kosten. Volgens Omar Hurricane, een programmaleider bij het Lawrence Livermore National Laboratory, waar de National Ignition-faciliteit zich bevindt:

“Fusie lijkt nu veel plausibeler dan tien jaar geleden als een toekomstige energiebron.”

In 2023 maakten wetenschappers een doorbraak toen ze een nucleaire reactie creëerden die meer energie kon genereren dan het verbruikte. Naar verluidt gebruikte het experiment een set van 192 lasers om 2,05 megajoule energie af te leveren op een erwt-groot gouden cilinder met een bevroren pellet van de waterstofisotopen deuterium en tritium.

De energie was zo intens dat het de capsule deed instorten. De bereikte temperatuur kon alleen worden geëvenaard door sterren en thermonucleaire wapens. In meer specifieke termen, zoals gesuggereerd door het laboratorium, werden 3,15 megajoule energie vrijgegeven — bijna 54% meer dan de energie die in de reactie werd gestoken en meer dan het dubbele van het vorige record van 1,3 megajoule.

Veel onderzoekers geloofden dat de resultaten van het experiment groot potentieel voor de toekomst hadden. Volgens Michael Campbell, voormalig directeur van het fusielaboratorium aan de University of Rochester in New York en een vroege voorstander van NIF bij het Lawrence Livermore-lab, zou de doorbraak het vertrouwen in de belofte van laserfusie-energie kunnen vergroten en uiteindelijk de deur openen naar een nieuw programma gericht op energie-toepassingen. Kim Bundil, directeur van het Lawrence Livermore-lab, geloofde dat het de “fundamentele bouwsteen is van een inertiële inperking fusie-energieschema.”

De proef en het succes toonden ook de noodzaak aan voor vele toekomstige ontwikkelingen die het proces robuuster zouden maken. Bijvoorbeeld, om de proef een levensvatbaar proces te laten worden, moet de vrijgekomen energie ten opzichte van de energie die nodig is om de laserpulsen te produceren met minstens twee ordes van grootte toenemen.

De toekomst moet ook een dramatische toename zien in de snelheid waarmee de lasers de pulsen kunnen produceren en hoe snel ze de doelkamer kunnen leegmaken om deze voor een nieuwe verbranding voor te bereiden.

Hoewel deze inspanningen de komende dagen zullen doorgaan, zullen we de bespreking van vandaag afsluiten met de vermelding van een ander belangrijk project in dit domein – het US$22-miljard ITER-project, een samenwerking tussen China, de Europese Unie, India, Japan, Korea, Rusland en de Verenigde Staten. Het project werkt aan het bereiken van zelfonderhoudende fusie, waarbij de energie van fusie meer fusie zou produceren.

Langzaam en gestaag, naarmate de huidige experimenten hun eindfase bereiken, zal fusie-energie kosteneffectiever, geoptimaliseerd en klaar voor bredere massale adoptie worden.