Mga Sferikal na Sisidlan ng Pagsasanib at Mayonesa – Muling Pag-iisip sa Hinaharap na Pangangailangan sa Enerhiya

Ang enerhiya ng pagsasanib ay kasing-luma ng ating kosmikong sistema. Pinapagana nito ang araw at mga bituin. Gayunpaman, ang aplikasyon nito sa ating planeta ay nananatiling eksperimental.

Ayon sa ulat ng kalagitnaan ng Hulyo, tumaas ng higit sa $900 milyon ang pamumuhunan sa larangang ito ngayong taon hanggang humigit-kumulang $7.1 bilyon. Gayunpaman, naniniwala ang mga eksperto na ang paglago ng pamumuhunan ay hindi pa sapat. Mas mababa ito kaysa sa pagtaas na US$1.4 bilyon na naabot noong nakaraang taon at US$2.8 bilyon noong 2022.

According to Andrew Holland, the head of the Fusion Industry Association:

“Ang paglago na nakita sa nakaraang 12 buwan ay positibo, ngunit hindi ito magiging sapat upang matupad ang ambisyosong layunin ng pagsasanib.”

Katulad ng sa ibang sektor, ang paglago ay makakamtan lamang sa pamamagitan ng inobasyon. Ngayon, tatalakayin natin ang isang ganitong epektibo at mahalagang inobasyon—na naglalayong alisin ang pangangailangan para sa Ohmic heating solenoid—na maaaring maging pinaka-impluwensyal na tagapagdisenyo sa pagbuo ng ekonomikong, compact na mga fusion tokamak reactor system.

Ngunit bago tayo sumisid nang mas malalim sa pananaliksik at mga kahihinatnan nito, kailangan muna nating magkaroon ng maikling pangkalahatang-ideya kung paano gumagana ang agham ng enerhiya ng pagsasanib at ang papel na ginagampanan ng mga tokamak system dito. 

Ang Agham ng Enerhiya ng Pagsasanib at mga Tokamak System

Ito ay isang multidisiplinaryong larangan ng agham na nagsusumikap na bumuo ng isang pinagmumulan ng enerhiya batay sa kontroladong pagsasanib. Ang pangunahing prinsipyo ng pagsasanib ay ang pagsasama ng dalawang nukleyus upang bumuo ng isang nukleyus.

Sa mas praktikal na antas, ang pagsasanib sa Earth ay nangangailangan ng paglikha ng mga kundisyon na nagreresulta sa pagbuo ng patuloy na plasma, na mga gas na napakainit na ang mga elektron ay napapalaya mula sa mga atomikong nukleyus. Gumagamit ang mga mananaliksik ng mga electric at magnetic field upang kontrolin ang nagresultang koleksyon ng mga ion at elektron dahil mayroong mga karga elektrikal ang mga ito. Ang mekanismong ito ang nagbibigay inspirasyon sa pangalang kontroladong pagsasanib.

Tinutulungan ng mga tokamak system na i-konfine ang plasma gamit ang magnetic field sa hugis-donut na tinatawag na torus. Sa paglipas ng mga taon, ang mga Tokamak ay naging nangungunang konsepto sa pagkonfine ng plasma para sa mga planta ng enerhiya ng pagsasanib sa hinaharap. Ang pananaliksik na tatalakayin natin sa susunod na bahagi ay tumatalakay sa pag-optimize ng espasyo ng tokamak. 

Compact, Sferikal na Mga Sisidlan ng Pagsasanib: Mas Maliit na Tokamak Bilang Mas Ekonomikong Opsyon sa Pagsasanib

Isang malawak na pangkat ng mga mananaliksik ang nangunguna sa pananaliksik na ito, kabilang ang mga siyentipiko mula sa U.S. Department of Energy (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), ang pribadong kumpanyang Tokamak Energy, at Kyushu University sa Japan. Simple lamang ang kanilang panukala sa ideya: isang compact, sferikal na pilot plant para sa pagsasanib na nagpapainit ng plasma gamit lamang ang microwaves.

 Ang paggamit ng microwaves ay mag-aalis ng pangangailangan para sa isang napakalaking coil ng copper wire na tinatawag na solenoid na matatagpuan malapit sa gitna ng sisidlan upang painitin ang plasma.

Habang ipinaliwanag ang kahalagahan ng pagtanggal ng tradisyunal na ohmic heating approach, sinabi ni Mayasuki Ono, ang pangunahing research physicist sa PPPL at pangunahing may-akda ng papel, na:

“Ang compact, sferikal na tokamak plasma ay mukhang isang mansanas na may core na medyo maliit, kaya wala nang puwang para sa ohmic heating coil. Kung hindi na kailangan isama ang ohmic heating coil, marahil ay makakalikha tayo ng makina na mas madali at mas mura gawin.”

Sa pag-abot ng layunin nito, ginagamit ng eksperimento ang teknolohiyang tinatawag na ECCD, na nangangahulugang Electron Cyclotron Current Drive, na maaaring sabay na magpatakbo ng kuryente at magpainit ng plasma. Nagsagawa pa ang mga mananaliksik ng computer code na tinatawag na TORAY, na, kasama ang isa pang code na tinatawag na TRANSP, ay maaaring i-scan ang mga anggulo ng pag-aim ng beam upang matukoy ang pinakamataas na kahusayan at mabawasan ang pangangailangan ng kapangyarihan para patakbuhin ang kinakailangang kuryente.

Natukoy pa ng mga mananaliksik ang mode ng ECCD na pinakamainam para sa bawat yugto ng proseso ng pag-init. Ang posibleng mga pagpipilian ay kinabibilangan ng dalawang mode:

• O mode o ordinary mode
• X mode o extraordinary mode

Kapwa kapaki-pakinabang ang dalawang mode na ito at nag-aambag sa pangkalahatang pag-andar ng sistema. Ang X mode ang pinakamainam kapag kailangan itaas ang temperatura at kuryente ng plasma. Ang O mode naman ang pinakamainam na opsyon para mapanatili ang temperatura at kuryente ng plasma pagkatapos ng pagtaas.

Sa pagbubuod ng mga alternatibong opsyon sa pag-init, sinabi ni Ono:

“Ang O mode ay mabuti para sa mataas na temperatura, mataas na densidad na plasma. Ngunit natuklasan naming bumababa nang husto ang kahusayan ng O mode sa mas mababang temperatura, kaya kailangan ng ibang paraan para pangasiwaan ang low-temperature regime.”

Binibigyang-diin din ng mga mananaliksik ang kahalagahan ng pagpapanatiling malinis ang plasma mula sa mga impurities. Ang malalakas na magnetic field ay halos nagkokonfine ng plasma sa loob ng tokamak sa isang tiyak na hugis, ngunit minsan ang plasma ay maaaring lumapit sa panloob na pader ng tokamak, na nagpapahintulot sa mga atom mula sa pader na mag-sputter at pumasok sa plasma.

Bagaman ang mga panukalang pananaliksik ay eksperimental pa, nakikita na natin ang pakikilahok ng mga komersyal na entidad na maaaring itulak ang solusyong ito pasulong, palakihin ito, at gawing mas optimal at enerhiyang epektibo ang aplikasyon ng enerhiya ng pagsasanib. Sa susunod na bahagi, tatalakayin natin ang Tokamak, ang kumpanyang kasalukuyang nasangkot sa proseso.

#1. Tokamak Energy Inc.

Ang Tokamak ay nangunguna sa pag-develop ng teknolohiyang kinakailangan upang matagumpay na maihatid ang enerhiya ng pagsasanib sa 2030s. Ang kanilang bisyon ay gawing malinis, ligtas, abot-kaya, at madaling makuha ang enerhiya ng pagsasanib.

Sa ngayon, nakakuha na ang kumpanya ng 77 na pamilya ng mga aplikasyon ng patente at nakalikom ng kabuuang US$250 milyon. Mula sa US$250 milyon na ito, US$200 milyon ay nagmula sa mga pribadong mamumuhunan, at ang natitira ay mula sa mga pamahalaan ng UK at US.

Sa kanyang operational na buhay, nagdagdag ang kumpanya ng maraming tagumpay sa kanyang talaan. Halimbawa, noong 2022, naging unang pribadong kumpanya ng pagsasanib na nakamit ang 100 milyong degrees Celsius na plasma ion temperature sa isang tokamak, ang threshold para sa pagsasanib sa komersyal na sukat.

Sa parehong taon, ang kumpanya ay nakatanggap din ng pagkilala sa pinakamataas na plasma ‘triple product’ ng anumang pribadong kumpanya ng pagsasanib, isang mahalagang sukat ng temperatura ng plasma at oras ng pagkonfine.

Naipaliwanag na natin ang sferikal na Tokamak, na isa sa pinakamadalas na pinag-aralan at malawak na kinikilala bilang landas patungo sa enerhiya ng pagsasanib. Kabilang sa mga benepisyo nito ang operational efficiency, plasma stability, at cost-effectiveness.

Ang ST40 high-field compact spherical tokamak ng Tokamak ay isa sa pinaka-advanced sa larangang ito. Sa pamamagitan nito, nakamit ng Tokamak ang plasma ion temperature na 100 milyong degrees Celsius, na anim na beses na mas mainit kaysa sa gitna ng Araw.

Ang Tokamak ay gumagawa rin ng Demo4 magnet system sa isang purpose-built test facility. Binubuo ang system ng 44 na indibidwal na HTS coil na pinagsama sa 14 na toroidal field limbs at dalawang poloidal field coil sa isang cage-shaped na istruktura. Maaari itong mag-operate sa vacuum sa 20 Kelvin (-250°C) na may lakas ng magnetic field na halos isang milyong beses na mas malakas kaysa sa magnetic field ng Earth.

#2. Helion

Isa pang kumpanya na gumagawa ng makabuluhang pagbabago sa larangang ito ay ang Helion. Ang kumpanya ay nag-aangkin na nakapagtayo ng unang fusion power plant sa mundo. Ang fusion generator ng Helion ay kaya ring itaas ang fusion fuel sa higit sa 100 milyong degrees Celsius. Bukod pa rito, maaari itong mag-extract ng kuryente gamit ang isang high-efficiency pulsed approach.

Sa teknolohiya, Ang solusyon ng Helion ay gumagamit ng magneto-inertial fusion technology. May tatlong natatanging tampok ang teknolohiya ng Helion na nagpapabukod dito mula sa ibang mga pamamaraan sa larangang ito. Upang payagan ang pag-aayos ng output ng kapangyarihan batay sa pangangailangan, ginagamit ng kumpanya ang isang pulsed, non-ignition fusion system.

Katulad ng kung paano gumagana ang regenerative braking system sa isang electric car, ang Helion system ay maaaring direktang mag-recover ng kuryente. Ginagawa nitong mas energy efficient ang Helion system, dahil ang ibang mga available na fusion system ay nagpapainit ng tubig upang lumikha ng singaw na nagpapaikot sa turbine, na nagreresulta sa malaking pagkawala ng enerhiya.

Gumagamit ang Helion ng deuterium at helium-3 (D-³He) bilang fuel. Ang pagsasanib ng dalawa ay nagbubuo ng mga charged particle na maaaring direktang ma-recapture bilang kuryente, na nagpapanatiling maliit, epektibo, mabilis, at cost-effective ang sistema. Ang paggamit ng deuterium at helium-3 (D-³He) bilang fuel ay tumutulong na bawasan ang neutron emissions at malaki ang naibabawas sa mga hamon sa engineering na dulot ng paggamit ng deuterium-tritium fusion fuel.

Mahalaga, naniniwala ang kumpanya na ang kanilang fusion power ay maaaring maging isa sa pinakamababang gastos na pinagmumulan ng kuryente, na ideal na magprodyus ng kuryente sa halagang US$0.01 kada kWh.

Ayon sa pinakabagong impormasyon, ang kumpanya, na itinatag noong 2008, ay maaaring makalikom ng US$500 milyon hanggang sa katapusan ng 2021, na umabot sa valuation na $1.25 bilyon. Ang pinakabagong round ay pinamunuan ni Sam Altman, CEO ng OpenAI, na personal na nag-invest ng $375 milyon, na naglalahad ng matibay na paniniwala sa potensyal ng Helion na baguhin ang produksyon ng enerhiya sa pamamagitan ng fusion technology. Ang kabuuang pondo ngayon ay $577 milyon, na ilalaan para tapusin ang ikapito na prototype ng Helion, ang Polaris, at mapalapit sa komersyalisasyon ng enerhiya ng pagsasanib pagsapit ng 2024.

Ang advanced na teknolohikal na gawain mula sa mga kumpanya tulad ng Tokamak at Helion ay tumutulong sa larangan ng enerhiya ng pagsasanib na gumawa ng malalaking hakbang.Ang tiyak na pananaliksik na binanggit namin upang simulan ang talakayan ay bunga ng isang private-public partnership. Ipinapakita nito na mayroong patuloy at sistematikong paglipat ng kaalaman at kakayahan sa pagitan ng mga institusyong pananaliksik at mga komersyal na kumpanya.

Ang Hinaharap ng mga Sisidlan ng Pagsasanib: Inobatibong Pag-iisip Patungo sa Pag-optimize ng mga Resources

Ang pagiging matagumpay sa pagsasanib ay mangangailangan ng mas malalim na pagsisid sa agham nito. Ang mga siyentipiko ay mas masigasig kaysa dati. 

Mayonesa Tinutulungan ang mga Mananaliksik sa Pagsolusyon ng Kumplikadong Hamon sa Enerhiya ng Pagsasanib

Isang team ng mga mananaliksik mula sa Lehigh University ang gumagamit ng mayonesa bilang pangunahing sangkap sa kanilang patuloy na pananaliksik sa mga yugto ng Rayleigh-Taylor instability. Ang pananaliksik na ito ay maaaring magbigay ng impormasyon sa disenyo ng mga susunod na inertial confinement fusion process para sa malinis na enerhiya.

Ayon kay Arindam Banerjee, ang Paul B. Reinhold Professor of Mechanical Engineering and Mechanics sa Lehigh University at Chair ng MEM department sa P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Ang team ay patuloy na nagtatrabaho sa parehong problema, na kung saan ay ang structural integrity ng mga fusion capsule na ginagamit sa inertial confinement fusion, at ang Hellmann’s Real Mayonnaise ay patuloy na tumutulong sa amin sa paghahanap ng mga solusyon.”

Tinutulungan ng mayonesa ang team sa pamamagitan ng pag-arte bilang isang solid, na nagsisimulang umagos kapag nasailalim sa pressure gradient. Ang Rayleigh-Taylor problem, isang kilalang isyu sa pisika, ay tumutukoy sa phenomenon na nangyayari sa pagitan ng mga materyales na may iba’t ibang densidad kapag ang density at pressure gradients ay magkasalungat, na lumilikha ng hindi matatag na stratification. Ang paggamit ng mayonesa ay tumutulong na subukan ang posibleng mga solusyon habang inaalis ang pangangailangan para sa mataas na temperatura at pressure conditions, na napakahirap kontrolin.

Cold Fusion Nang Walang Extreme na Temperatura

Isa pang kamakailang breakthrough sa cold fusion ay muling nagpasigla ng pag-asa para makamit ang malinis na enerhiya nang hindi kinakailangan ng napakataas na temperatura at plasma, na tradisyonal na kaugnay ng nuclear fusion.

Ang pag-unlad na ito, na matagal nang itinuturing na fringe science, ay gumagamit ng materials science, rare metals, at tiyak na mga prosesong kemikal upang makamit ang nuclear fusion sa mas mababang temperatura.

Ang komunidad ng siyensiya ay dati nang tinanggihan ang cold fusion dahil sa kawalan ng kakayahang ulitin ang mga unang resulta ng eksperimento, ngunit isang bagong peer-reviewed na pag-aaral na inilathala sa Nature ang nagmumungkahi ng posibleng landas pasulong sa pamamagitan ng pagmamasid ng neutron emissions sa mga eksperimento gamit ang deuterated titanium powder sa ilalim ng acoustic cavitation. Ang pagtuklas na ito ay maaaring magbukas ng daan para sa mas maraming pananaliksik sa cold fusion bilang isang viable na alternatibong pinagmumulan ng enerhiya, na nag-aalok ng potensyal para sa malinis, halos walang limitasyong kapangyarihan.

Ang mga natuklasan ng pag-aaral ay hinahamon ang matagal nang paniniwala na ang nuclear fusion ay nangangailangan ng mga extreme na kondisyon na matatagpuan sa mga bituin, tulad ng milyong-milyong antas ng temperatura at malalakas na magnetic field. Sa halip, ang bagong lapit na ito ay nag-eexplore ng potensyal na makamit ang fusion sa pamamagitan ng iba’t ibang mekanismo, na maaaring mag-rebolusyon sa landscape ng enerhiya sa pamamagitan ng pagbibigay ng mas madaling ma-access at hindi gaanong resource-intensive na paraan para lumikha ng enerhiya.

Kung magtatagumpay, ang cold fusion ay maaaring lampasan ang napakalaking imprastruktura at enerhiya na kinakailangan ng tradisyonal na mga paraan ng fusion, na ginagawa itong isang game-changer sa paghahanap ng mga sustainable at malinis na solusyon sa enerhiya.

AI: Isang Game-Changer sa Pagpapatatag ng mga Nuclear Fusion Reaction

Sa patuloy na pagtaas ng kasophistikahan at lumalawak na kakayahan, ang AI ay nagre-rebolusyon sa larangan ng nuclear fusion sa pamamagitan ng pag-predict at pag-iwas sa plasma instabilities, na historically ay humahadlang sa sustainability ng fusion reactions.

Ang mga mananaliksik sa Princeton University at sa U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory ay nakabuo ng AI model na kayang makita ang plasma disruptions, tulad ng tearing mode instabilities, hanggang 300 milliseconds bago ito mangyari. Ito ay nagbibigay-daan sa AI na gumawa ng real-time adjustments sa mga parameter ng reactor, pinapanatili ang stability ng plasma at pinipigilan ang reaction na matapos nang maaga.

Ang predictive power ng AI ay nagmumula sa pagsasanay nito gamit ang data mula sa mga nakaraang eksperimento, na nagbibigay-daan upang tumugon nang dynamic sa mga posibleng instabilities sa paraang hindi magagawa ng tradisyonal na physics-based models.

Dahil ang plasma ay likas na hindi stable at kumplikado, ang pagpapanatili ng stability nito ay naging malaking hamon sa pagpapanatili ng nuclear fusion. Tradisyonal, ang mga pamamaraan ay nakatuon sa pag-mitigate ng instabilities lamang pagkatapos nilang magsimulang mag-disrupt sa plasma, kadalasan huli na para iligtas ang reaction.

Sa pamamagitan ng paggamit ng kakayahan ng AI na mag-predict at preemptively counter ang mga instabilities na ito, ang proseso ng fusion ay nagiging mas stable at viable, na papalapit sa pagkakamit ng praktikal at sustainable na enerhiya ng fusion. Ang pag-unlad na ito ay hindi lamang nagpapabuti sa mga posibilidad ng fusion bilang walang limitasyong pinagmumulan ng enerhiya kundi pinapakita rin ang kritikal na papel na ginagampanan ng AI sa pagtagumpayan ng pinakamalalaking hamon sa pananaliksik ng fusion.

Ano ang Hinaharap?

Ang hinaharap ay makakakita ng mga kumpanya na nagdidisenyo ng mga solusyon sa fusion power na nag-o-optimize ng espasyo at paggamit ng mga resources sa usapin ng enerhiya at gastos. Ayon kay Omar Hurricane, isang program leader sa Lawrence Livermore National Laboratory, kung saan matatagpuan ang National Ignition facility:

“Ang fusion ay mukhang mas kapani-paniwala ngayon kaysa sampung taon na ang nakalilipas bilang isang hinaharap na pinagmumulan ng enerhiya.”

Noong 2023, mga siyentipiko nakagawa ng breakthrough nang lumikha sila ng isang nuclear reaction na maaaring mag-generate ng higit na enerhiya kaysa sa kinonsumo nito. Ayon sa ulat, gumamit ang eksperimento ng 192 na laser upang maghatid ng 2.05 megajoules ng enerhiya sa isang pea-sized na gold cylinder na naglalaman ng frozen pellet ng hydrogen isotopes na deuterium at tritium.

Napak-intense ng enerhiya na nag-collapse ng capsule. Ang temperatura na naabot ay maaari lamang maikumbinsi ng mga bituin at thermonuclear weapons. Sa mas tiyak na termino, ayon sa laboratoryo, 3.15 megajoules ng enerhiya ang na-release—halos 54% higit kaysa sa enerhiya na inilagay sa reaction at higit sa doble ng nakaraang rekord na 1.3 megajoules.

Maraming mananaliksik ang naniniwala na ang mga resulta ng eksperimento ay may malaking potensyal para sa hinaharap. Ayon kay Michael Campbell, dating direktor ng fusion laboratory sa University of Rochester sa New York at maagang tagasuporta ng NIF habang nasa Lawrence Livermore lab, ang breakthrough ay maaaring magpataas ng kumpiyansa sa pangako ng laser fusion power at sa huli ay magbukas ng pintuan sa isang bagong programa na nakatuon sa mga aplikasyon ng enerhiya. Si Kim Bundil, direktor ng Lawrence Livermore laboratory, ay naniniwala na ito ay ang “fundamental building block ng isang inertial confinement fusion power scheme.”

Ang pagsubok at ang tagumpay nito ay nagpakita rin ng pangangailangan para sa maraming hinaharap na pag-unlad na magpapalakas sa proseso. Halimbawa, upang maging viable ang pagsubok, ang enerhiya na nailabas kumpara sa enerhiya na ginugol sa paggawa ng laser pulses ay kailangang tumaas ng hindi bababa sa dalawang order ng magnitude.

Kailangan din ng hinaharap na makita ang dramatikong pagtaas sa bilis kung saan maaaring mag-produce ang mga laser ng pulses at kung gaano kabilis nilang malilinis ang target chamber upang ihanda ito para sa isa pang burn.

Habang magpapatuloy ang mga pagsisikap na ito sa mga susunod na araw, tatapusin natin ang talakayan ngayon sa pagbanggit ng isa pang mahalagang proyekto sa larangang ito – ang US$22-bilyong ITER project, isang kolaborasyon sa pagitan ng China, European Union, India, Japan, Korea, Russia, at United States. Ang proyekto ay nagtatrabaho patungo sa pagkakamit ng self-sustaining fusion, kung saan ang enerhiya mula sa fusion ay magbubunga ng higit pang fusion.

Unti-unti at patuloy, habang ang kasalukuyang mga eksperimento ay nagtatapos, ang enerhiya ng pagsasanib ay magiging mas cost-effective, optimized, at handa para sa mas malawak na mass adoption.