Jak zsynchronizowane uderzenia młotków mogą doprowadzić do fuzji jądrowej

Michael Laberge, opowiada, jak nasza przyszłość energetyczna zależy od fuzji jądrowej. Fizyk prowadzi własną małą firmę, mając za cel stworzenie nowego typu reaktora jądrowego, który mógłby wyprodukować czystą i tanią energię. Jaka jest jego sekretna receptura? Duża prędkość, niewiarygodna temperatura i miażdżące ciśnienie. W tej prelekcji tłumaczy, jak fuzja jądrowa może czekać tuż za rogiem.

Jasno tutaj!

Na pewno zużywa to mnóstwo energii.

Wasz przylot tu

również kosztował trochę energii.

Cała planeta potrzebuje
ogromnych ilości energii,

którą na razie pozyskujemy
głównie z paliw kopalnych.

Spalamy gaz.

Całkiem niezły start.

Dzięki temu jesteśmy tutaj,
ale musimy przestać.

Nie możemy już tego robić.

Próbujemy różnych rodzajów energii.

Źródeł alternatywnych.

Okazuje się jednak, że trudno znaleźć

coś tak wygodnego i ekonomicznego,

jak ropa, gaz i węgiel.

Moim ulubieńcem jest energia jądrowa.

Jest bardzo wydajna energetycznie,

tworzy stabilną, pewną energię

i nie wydziela dwutlenku węgla.

Znamy dwa sposoby
pozyskiwania energii jądrowej.

Fuzja jądrowa
i rozszczepienie jądra atomowego.

Rozszczepienie polega na tym,
że bierzesz duże jądro atomowe,

rozbijasz je na dwie części,

co uwalnia mnóstwo energii.

Tak działają dzisiejsze reaktory jądrowe.

To działa całkiem nieźle.

Jest jeszcze fuzja.

Lubię fuzję, jest dużo lepsza.

Masz dwa malutkie jądra atomowe,

łączysz je ze sobą w jeden atom helu,

no i wszystko pięknie.

Masz sporo energii.

W ten sposób natura produkuje energię.

Słońce i wszystkie gwiazdy
we wszechświecie

istnieją dzięki fuzji.

Elektrownia działająca w ten sposób

byłaby bardzo wydajna.

Byłaby też dość bezpieczna.

Produkuje tylko krótkożyciowe
odpady radioaktywne,

a rdzeń reaktora nie może stopnieć.

Paliwo do fuzji pochodzi z oceanu.

Z oceanu można wydobyć paliwo

za około jedną tysięczną centa

za kilowatogodzinę,
więc wychodzi bardzo tanio.

Jeśli cała planeta byłaby zasilana fuzją,

czerpalibyśmy paliwo z oceanu

i starczyłoby go na miliardy lat.

Skoro fuzja jest taka fajna,
to czemu jej jeszcze nie mamy?

Gdzie się podziewa?

Zawsze jest jakiś haczyk.

Bardzo trudno przeprowadzić fuzję.

Problemem są dwa jądra atomowe,

oba mają dodatnie ładunki,

dlatego nie chcą się połączyć.

Lecą sobie tak albo tak.

Więc żeby zrobić fuzję,

musimy rzucić je na siebie
z ogromną prędkością.

Jeśli będą dosyć szybkie,

oprą się wzajemnemu odpychaniu,

zetkną się i stworzą energię.

Prędkość cząsteczek

jest mierzalna przez temperaturę.

Temperatura potrzebna do fuzji

wynosi 150 miliardów stopni Celsjusza.

To raczej ciepło,

dlatego fuzja jest tak trudna.

Załapałem bakcyla do fuzji,

kiedy zrobiłem doktorat tutaj,
na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej.

Później dostałem świetną pracę
w puncie wydruków laserowych,

pracującym dla przemysłu drukarskiego.

Pracowałem tam przez 10 lat.

Trochę się znudziłem.

Pod czterdziestkę dopadł mnie
kryzys wieku średniego.

No wiecie, standardowe kwestie.

Kim jestem? Co powinienem robić?

Co mogę zrobić?

Wtedy spojrzałem na swoją pracę.

Przyczyniałem się do wycinania lasów

tutaj, w Kolumbii Brytyjskiej.

Zasypywałem was wszystkich

milionami ton niechcianych reklam.

To nie dawało mi satysfakcji.

Niektórzy kupują sobie Porsche.

Inni szukają kochanek.

Ja zdecydowałem się rozwiązać problem

globalnego ocieplenia
i doprowadzić do fuzji.

Zacząłem od przejrzenia literatury

i sprawdzenia, jak działa fuzja.

Fizycy od dawna pracują nad fuzją.

Jednym ze sposobów jest

tak zwany "tokamak".

To wielki pierścień

nadprzewodzących cewek magnetycznych

tworzący pole magnetyczne

w pierścieniu jak ten,

z zamkniętym w środku gorącym gazem,

który nazywamy plazmą.

Cząsteczki pędzą w kółko

przy ściance.

W końcu wrzuca się dużą ilość ciepła,

usiłując doprowadzić do temperatury fuzji.

Tak wygląda środek jednego z tych pączków,

a po prawej stronie

widać fuzję plazmy.

Drugim sposobem

jest użycie laserów do fuzji.

W laserowej fuzji
macie malutką piłeczkę pingpongową,

wsadzacie paliwo fuzji w środek,

otaczacie je masą laserów dookoła.

Lasery bardzo mocno i szybko

ściskają piłeczkę.

Jeśli ściśniesz coś wystarczająco mocno,

temperatura wzrośnie.

A robiąc to bardzo szybko,

a one robią to w jedną miliardową sekundy,

wytwarza się dość energii i ciepła,

żeby zrobić fuzję.

To wnętrze jednej z takich maszyn.

Widzicie wiązkę lasera i osad

w samym środku.

Większość osób uważa,
że fuzja zmierza donikąd.

Myślą, że fizycy siedzą w laboratoriach,

pracują ciężko, a nic się nie dzieje.

To nie do końca prawda.

To wykres wzrostu ilości w fuzji

przez ostatnie 30 lat.

Widzicie, że robimy teraz

około 10 000 razy więcej fuzji,

niż kiedy zaczynaliśmy.

Całkiem niezły postęp.

Tak się składa, że postęp wzrasta,

jak legendarne prawo Moore'a,

które definiuje ilość tranzystorów,

które możemy zmieścić w czipie.

Ta kropka tutaj nazywa się JET,

od projektu Joint European Torus.

To wielki tokamak w Europie,

a ta maszyna w 1997 roku

wyprodukowała 16 megawatów energii,

zużywając 17 megawatów ciepła.

Pewnie powiecie, że to kiepsko,

ale to niezły wynik.

Zakładając, że wyciągamy

około 10 000 razy więcej,
niż kiedy zaczynaliśmy.

Drugą kropką jest NIF.

Narodowy Zakład Zapłonu,
czyli National Ignition Facility.

To wielka laserowa maszyna w Stanach.

W zeszłym miesiącu ogłosili,

z całkiem sporym rozmachem,

że udało im się stworzyć więcej energii

za pomocą fuzji,

niż energia, którą włożyli do środka
pingpongowej piłeczki.

Wiem, to nie do końca wystarczy,

ponieważ energia wejściowa lasera

była większa od wyjściowej,

ale w porządku.

Tu jest ITER,

wymawiamy z francuskiego: ii-teir.

Wynik współpracy wielu krajów

przy budowaniu dużego magnetycznego pączka

na południu Francji,

a ta maszyna, kiedy ją skończą,

wyprodukuje 500 megawatów energii z fuzji,

przy zużyciu 50 megawatów.

Jej się uda.

Ona będzie działać.

To typ maszyny, która wytworzy energię.

Widząc wykres, zauważycie,

że te dwie kropki są trochę

po prawej stronie.

Nieco wypadliśmy z postępu.

Nauka tworzenia tych maszyn

była na czas,

aby stworzyć fuzję i nie wypaść z krzywej.

Jednak wmieszała się polityka,

a woli postępu zabrakło,

więc wykres zjechał na prawo.

ITER, na przykład, mógł być zbudowany

już w 2000 albo 2005 roku,

jednak wymagała wiele
międzynarodowej współpracy,

wmieszała się polityka,
powodując opóźnienia.

Na przykład trzy lata zajęła decyzja,

gdzie budować.

Fuzja jest często krytykowana,

bo jest zbyt droga.

Tak, będzie kosztować

miliard lub dwa miliardy dolarów rocznie,

żeby stworzyć postęp.

Jednak trzeba to porównać do kosztów

tworzenia prawa Moore'a.

To dużo większy koszt.

Wynikiem prawa Moore'a

jest ten telefon w mojej kieszeni.

Komórka i internet, z którym się łączy,

kosztowały około biliona dolarów,

tylko żebym mógł zrobić sobie zdjęcie

i wrzucić je na Facebooka.

Kiedy mój tata to zobaczy,

będzie bardzo dumny.

Wydajemy również około
650 miliardów dolarów rocznie

na subsydia dla ropy, gazu

i energii odnawialnej.

Dotychczas wydaliśmy
pół procenta tego na fuzję.

Osobiście nie uważam, że to zbyt drogo.

Uważam, że to promocja,

zakładając, że to może
rozwiązać problemy energetyczne

na najbliższe kilka miliardów lat.

Mógłbym tak powiedzieć,
ale jestem trochę stronniczy,

bo założyłem firmę zajmującą się fuzją,

a nawet nie mam konta na Facebooku.

Kiedy zaczynałem swoją firmę w 2002 roku,

wiedziałem, że nie mogę walczyć
z wielkimi graczami.

Mają dużo więcej środków niż ja.

Więc zdecydowałem się znaleźć rozwiązanie,

które jest tańsze i szybsze.

Magnetyczna i laserowa fuzja

to całkiem spore maszyny.

To jest niesamowita technologia,

niesamowite maszyny, które pokazały,

że fuzja jest możliwa.

Jednak nie sądzę, by były dobre

do masowej produkcji energii.

Są zbyt duże, zbyt skomplikowane,

zbyt drogie,

no i nie mają wiele wspólnego

z energią fuzyjną.

Kiedy dokonujesz fuzji, uzyskujesz energię

w postaci szybkich neutronów
powstających w plazmie.

Te neutrony uderzają w ścianę maszyny.

Niszczą ją.

Trzeba też złapać energię z neutronów

i użyć pary, żeby zakręcić jakąś turbiną,

a w tych maszynach,

wpadliśmy na to trochę po fakcie.

Pomyślałem, że istnieje
jakiś lepszy sposób na fuzję.

Wróciłem do książek,

czytałem o fuzji wszędzie.

Jeden przypadek
w szczególności zwrócił moją uwagę,

nazwano go magnetycznym celem fuzji,

albo w skrócie MTF.

W MTF chodzi o to,

że bierzesz wielką kadź

i wypełniasz ją płynnym metalem,

zaczynasz kręcić płynny metal,

aż wir otworzy środek,

tak jak w zlewie.

Wyciągając korek w zlewie, tworzysz wir.

Dokładasz kilka tłoków
napędzanych ciśnieniem,

które wychodzi na zewnątrz,

co zwiększa ciśnienie w płynnym metalu

dookoła plazmy, ściskając ją,

co powoduje wzrost temperatury,

jak z laserem, i mamy fuzję.

To taki miks między magnetyczną fuzją

i fuzją laserową.

W tym jest kilka korzyści.

Ciekły metal wchłania neutrony

i żaden neutron nie uderza o ścianę,

przez co nie psuje się maszyna.

Ciekły metal nagrzewa się,

można go przepompować
do wymiennika ciepła,

uzyskać parę, która ruszy turbiną.

To wygodny sposób

na tę część procesu.

W końcu cała energia
doprowadzająca do fuzji

pochodzi od tłoków napędzanych parą,

co jest dużo tańsze niż lasery

albo nadprzewodzące cewki.

Wszystko fajnie,

ale nie do końca działało.

(Śmiech)

Zawsze jest jakiś haczyk.

Podczas sprężania

plazma się ochładza

szybciej niż prędkość kompresji.

Próbujesz kompresować,

ale plazma ochładza się cały czas,

aż w końcu nie robi nic.

Kiedy to zobaczyłem,
powiedziałem: "szkoda".

To taki świetny pomysł.

Mam nadzieję, że mogę go ulepszyć.

Pomyślałem przez minutę.

Jak można to ulepszyć?

Wtedy pomyślałem o uderzeniu.

Może by tak użyć wielkiego młotka,

wziąć zamach i uderzyć jak w gwóźdź

w miejscu przyłożenia młotka do gwoździa,

starając się go popchnąć?

To nie zadziała,

Chodzi więc o to,

żeby użyć siły zderzenia.

Przyspieszymy ruch tłoków dzięki parze,

co zajmie trochę czasu,

ale wtedy, bam! uderzasz tłok i bum!

Cała energia wyzwala się naraz,

naraz przechodzi do płynu

i kompresuje plazmę dużo szybciej.

Zdecydowałem, że to jest dobre,
warto sprawdzić w praktyce.

Zbudowaliśmy tę maszynę w garażu.

Zrobiliśmy małą maszynę,

która potrafiła ściskać

trochę neutronów,

a to są moje marketingowe neutrony.

Dzięki marketingowym neutronom

zebrałem 50 milionów dolarów,

no i zatrudniłem 65 osób.

To moja ekipa.

A to chcemy zbudować.

Będzie to duża maszyna.

Około 3 metrów w obwodzie.

Płynny metal krążący dookoła.

Wielki wir w środku.

Umieścimy plazmę na górze i dole.

Tłoki uderzą w bok.

Kompresja

i stworzymy trochę energii.

Neutrony uderzą w płynny metal.

Silnik parowy włączy turbinę.

Trochę pary wróci

wystrzelić w tłoki.

Chcemy przejść cały cykl raz na sekundę,

co wytworzy około
100 megawatów elektryczności.

Zbudowaliśmy też wtryskiwacz.

Wytwarza on plazmę.

Dzieje się to w letniej temperaturze

3 milionów stopni Celsjusza.

Niestety nie wytrzymuje zbyt długo,

więc musieliśmy przedłużyć życie plazmy.

W zeszłym miesiącu było lepiej.

Wydaje mi się, że plazma się kompresuje.

Później zbudowaliśmy sferę
o takiej mniej więcej wielkości.

14 tłoków dookoła.

Układ ten wytworzy nacisk na płyn.

Jednak plazmę trudno skompresować.

Podnosisz ciśnienie,

zazwyczaj wykrzywia się w ten sposób,

więc trzeba zgrać wszystkie tłoki

idealnie.

Do tego wykorzystujemy
kilka systemów kontroli.

To nie byłoby możliwe w 1970 roku,

ale teraz można to zrobić.

Dzięki fajnej, nowej elektronice.

W końcu większość ludzi myśli,

że fuzja jest przyszłością
i nigdy się nie zdarzy.

Tak się składa, że ten typ energii
jest już bardzo blisko.

Prawie ją mamy.

Wielkie laboratoria pokazały,
że fuzja jest możliwa,

a teraz małe firmy też tak myślą.

Ich zdaniem nie jest to niewykonalne,

pozostaje kwestia,
jak zrobić to ekonomicznie.

General Fusion jest jedną z małych firm,

mam nadzieję, że niedługo ktoś

wpadnie, jak to zrobić,

a może nawet będzie to General Fusion.

Bardzo dziękuję.

(Brawa)