Połączenie!

Niedawny przełom w eksperymentalnym reaktorze termojądrowym wywołał falę wiadomości w mediach głównego nurtu. Pisarze ze wszystkich stron rozwodzili się lirycznie, jak to jest duży krok naprzód i jak przybliża nas do „czystego, bezpiecznego, prawie nieograniczonego” źródła energii. Rzeczywistość jest jednak nieco bardziej zniuansowana.

Jak zawsze, to, co jest niezrównoważone, nie będzie trwałe. Fizyka, część zbioru zasad Natury, działa na takich prostych zasadach. To nie jest skomplikowane: system musi wytwarzać więcej (znacznie więcej) energii niż potrzebuje do utrzymania się, aby był użyteczny jako źródło energii. Musi wytwarzać nadwyżki energii — nic dziwnego, że naukowcy zajmujący się syntezą jądrową uczynili to swoim głównym celem. Amerykański National Ignition Facility (NIF) osiągający znakomite wyniki podobno właśnie to osiągnął:

Obiekt wykorzystał swój zestaw 192 laserów, aby dostarczyć 2,05 megadżuli energii do złotego cylindra wielkości grochu zawierającego zamrożoną pastylkę izotopów wodoru, deuteru i trytu. Impuls energii lasera spowodował zapadnięcie się kapsuły, osiągając temperatury obserwowane tylko w gwiazdach i broni termojądrowej, a izotopy wodoru stopiły się w hel, uwalniając dodatkową energię i tworząc kaskadę reakcji syntezy jądrowej. Analiza laboratoryjna sugeruje, że reakcja uwolniła około 3,15 MJ energii – około 54% więcej niż wpłynęło do reakcji i ponad dwukrotnie więcej niż poprzedni rekord 1,3 MJ.

Przetłumaczone na język ludzki: grupa ludzi użyła brutalnej siły, aby zapalić miniaturową bombę wodorową w komorze testowej (bez użycia bomby atomowej jako lontu). Nie lada wyczyn! Czy generował nadwyżki energii? Do diabła, stało się. Zupełnie jak w tym złowieszczym eksperymencie siedemdziesiąt lat temu. Dla porównania zapytajcie mieszkańców atolu Enewetak, jak duże nadwyżki energii tego rodzaju mogą wyrzucać koralowce do atmosfery.

Czy jest to zrównoważone źródło energii? Czy eksperymenty przeprowadzone w NIF mogą wytworzyć ciągły przepływ energii zamiast miniaturowego huku? Oczywiście nie. Nigdy nie były przeznaczone. Jeśli uważnie przeczytasz artykuł, możesz odkryć, jaki był prawdziwy cel eksperymentu:

Ale wyniki mają szczególne znaczenie w NIF: obiekt został zaprojektowany, aby pomóc naukowcom zajmującym się bronią jądrową badać intensywne ciepło i ciśnienie wewnątrz eksplozji, a jest to możliwe tylko wtedy, gdy laboratorium wytwarza reakcje syntezy jądrowej o wysokiej wydajności. […] najważniejsze pytanie brzmi teraz, co Departament Energii zrobi dalej: podwoi badania nad bronią w NIF lub przestawi się na program laserowy ukierunkowany na badania nad energią termojądrową.

Nie wiem jak Tobie, Drogi Czytelniku, ale słowo „pivot” sugeruje, że cały ten eksperyment miał na celu w 100% badania wojskowe, przepakowane jako przełom w energetyce termojądrowej… Innymi słowy: zamiast znaleźć zrównoważoną energię źródło: NIF znalazł nowy sposób na odpalenie bomby wodorowej.

Aby osiągnąć trwałą reakcję syntezy jądrowej, potrzebne byłoby naczynie zdolne do przechowywania plazmy o temperaturze do 150 milionów stopni. I tu zaczyna się drapanie po głowach. W niezbyt rozreklamowanym świecie inżynierskiej rzeczywistości reaktor termojądrowy to turbodoładowana świnia energetyczna na sterydach. Aby powstrzymać gorącą plazmę o temperaturze wielu milionów stopni przed spaleniem przez jego obudowę, reaktor musi generować pole elektromagnetyczne wystarczająco silne, aby utrzymać bardzo gorące cząstki w środku reaktora, z dala od jego ścian.

ITER , największy i najbardziej obiecujący reaktor termojądrowy na świecie, również osiągnie ten cel dzięki magnesom nadprzewodzącym, wymagającym ciągłego chłodzenia do temperatur bliskich zera bezwzględnego. Samo wygenerowanie tego pola magnetycznego powoduje niebotyczne rachunki za prąd, nie wspominając o mnóstwie innych urządzeń, które razem równają się zużyciu energii elektrycznej w średniej wielkości mieście:

Zapotrzebowanie na energię elektryczną dla elektrowni i urządzeń ITER będzie się wahać od 110 MW do nawet 620 MW w okresach szczytowych trwających 30 sekund podczas pracy plazmy.

To nie jest czajnik elektryczny twojej babci: mówimy o zużyciu (średnio) 365 MW energii elektrycznej na 30-sekundowy pokaz sztucznych ogni. Jednak z tej ilości tylko 50 MW zostanie wykorzystane do zapłonu plazmy, reszta zostanie pochłonięta przez wodę chłodzącą i układy kriogeniczne. Według strony internetowej projektu , ta nie tak niewielka część zużycia zostanie całkowicie pominięta w osiągnięciu celu:

ITER ma dawać w swojej plazmie dziesięciokrotny zwrot z mocy (Q=10), czyli 500 MW mocy termojądrowej z 50 MW wejściowej mocy grzewczej .

Jeśli zdefiniujesz sukces tak, jak zrobili to projektanci ITER, skupiając się na wejściu ogrzewania 50 MW do komory testowej (z wyłączeniem zużycia brutto WSZYSTKICH urządzeń podtrzymujących życie w komorze), to tak, prawdopodobnie możesz zakończyć ten dzień i wziąć pieniądze. Jednak rzetelnie obliczone, ITER osiągnie zwrot z zainwestowanej energii zaledwie 1,37:1 – w najlepszym razie niewiele powyżej progu rentowności. Nie uwzględnia to nawet energii potrzebnej do zbudowania podobnej konstrukcji.

Problem polega na tym, że fizyki w najmniejszym stopniu nie interesuje to, co mierzymy: albo cały system jest zrównoważony, albo nic.

Gdybyśmy naprawdę poważnie podchodzili do ratowania tej cywilizacji, zamiast zachowywać się tak, jakbyśmy mieli cały czas na świecie, radośnie zbierając pieniądze od rządów i zamówienia od przemysłu zbrojeniowego, wtedy robilibyśmy kalkulacje nakładów brutto w stosunku do wyników. Wtedy zdalibyśmy sobie sprawę, że jeden do dziesięciu goli w stosunku do upału na zewnątrz zdecydowanie nie wystarczy. Korzystając z miernika dostarczonego przez obecne eksperymenty, musielibyśmy dążyć do celu 500: 1 netto (lub 70: 1 brutto), aby udowodnić, że możemy przynajmniej dorównać obecnej wydajności reaktora jądrowego . Jeśli wydaje się to niemożliwe, być może tak jest — ale nie powinniśmy też marnować na to czasu.

Dodaj fakty, że a) nie mamy pojęcia, czy uda nam się podtrzymać syntezę jądrową przez godzinę, nie mówiąc już o dniu, bez całkowitego zniszczenia sprzętu (prawdopodobnie nie), oraz b) ITER nie będzie produkował energii elektrycznej (to będzie ktoś inny problem (1)) i widzisz, że ten eksperyment jest tak naprawdę pomostem donikąd.

W tym miejscu naprawdę uderza mnie niezdolność ludzkości do uchwycenia skończonej natury naszej cywilizacji. Dni zaawansowanych technologii są policzone. Przy obecnych wskaźnikach konsumpcji musielibyśmy wydobyć tyle minerałów w ciągu następnych dwudziestu do trzydziestu lat, co w ciągu ostatnich dziesięciu tysiącleci — taka jest natura wzrostu wykładniczego.

Problem w tym, że nie mamy już tyle zasobów, ale mimo to spróbujemy. Dzisiejsze niedobory to nic w porównaniu z tym, czego będziemy doświadczać za dziesięć, piętnaście lat… Tylko patrzcie. ITER będzie wtedy nadal inicjowany (rozpoczęcie planowane jest na 2035 r.). Uruchomienie go będzie naszym najmniejszym problemem…. Niezależnie od innych kwestii, weźmy na przykład tryt, niezwykle rzadki izotop wodoru:

Obecnie tryt jest wytwarzany przez 19 kanadyjskich reaktorów rozszczepialnych CANDU, z których połowa ma zostać wyłączona. […] Oznacza to, że około 25-kilogramowe zapasy trytu osiągną szczyt do 2030 r. i zaczną systematycznie spadać w miarę wyprzedawania i rozpadu.

I dlaczego jest to ważne? Jasne, synteza jądrowa może przebiegać na znacznie liczniejszych izotopach, gdy już się pojawią i będą nucić… Jednak do jej odpalenia zawsze będziesz potrzebować niewielkiej ilości tego naprawdę rzadkiego materiału.

Naukowcy zdali sobie sprawę ponad 20 lat temu, że „okno trytu” syntezy jądrowej w końcu się zatrzaśnie, a od tego czasu sytuacja tylko się pogorszyła. ITER nie spali DT najwcześniej w 2035 r., kiedy zapasy trytu się skurczą. Gdy ITER zakończy pracę w latach 50. XXI wieku – jeśli nie będzie więcej opóźnień – pozostanie tylko 5 kilogramów lub mniej trytu.

Przeczytaj cały artykuł na ten temat tutaj — uważam, że jest on niezwykle wnikliwy i ma dobre źródła. W pewnym sensie synteza jądrowa jest produktem ubocznym podjętej przez ludzkość jedynej w życiu próby zbudowania cywilizacji napędzanej energią jądrową… Wszystko to opiera się na nieodnawialnych metalach, paliwach kopalnych i piasku — materiałach, których zabraknie nam w przyszłości. nadchodzące dziesięciolecia.

Podczas gdy wciąż marzymy o nieskończonej energii, czy to przechwyconej przez panele słoneczne, czy wytworzonej tutaj na Ziemi w wyniku syntezy jądrowej, świadomie zapominamy o ilości nieodnawialnych materiałów, które muszą zostać wbudowane – i ostatecznie zużyte – przez te skomplikowane technologie.

Doskonałym przykładem jest sześć cewek pola poloidalnego (generujących silne pole magnetyczne — swoją nazwę pokochali), wykonanych z drutów niobowo-tytanowych. To nie jest coś, co kupujesz w Home Depot:

Kręgi PF2, PF3, PF4 i PF5, mające średnicę od 17 do 24 metrów i ważące od 200 do 400 ton , są po prostu zbyt duże, aby mogły być produkowane poza terenem zakładu i wysyłane do ITER.

Ludzie w ITER absolutnie nie ukrywają faktu, jak całkowicie nieskalowalny jest ich projekt. Spróbuj wyobrazić sobie cały łańcuch dostaw stojący za tą operacją, poczynając od kopalni metali ziem rzadkich w Chinach: wydobycie skończonych rezerw niobu przez wywrotki i koparki spalające galony oleju napędowego na minutę, rafinerie pozostawiające toksyczny i wysoce radioaktywny ogon- staw za. Następnie wyobraź sobie, ile węgla i gazu ziemnego spala się w hutach, aby stopić te egzotyczne metale i wytworzyć ten specjalny stop… Ilość oleju napędowego (znowu) spalonego na statkach i ciężarówkach przewożących setki ton tego oleju na miejscu, zużyta energia elektryczna proces montażu produkcyjnego i tak dalej… Teraz zaczynasz rozumieć, jakiego rodzaju energii i skończonych materiałów wejściowych, o których mówię, potrzebnych do zbudowania, utrzymania i uruchomienia reaktora termojądrowego. Jeszcze raz,

Dlaczego w ogóle mielibyśmy dążyć do budowy praktycznie nieograniczonej elektrowni termojądrowej na Ziemi, skoro właśnie to wykorzystanie nieograniczonej energii (w postaci paliw kopalnych) doprowadziło do szóstego masowego wymierania, którego jesteśmy obecnie świadkami? Komu chcemy tym wszystkim zaimponować?

Nasi potomkowie, dziedziczący na wpół martwą biosferę, zaśmieconą radioaktywnymi odpadami, wiecznie chemikaliami, zużytymi bateriami i zatopionymi metropoliami pomiędzy pustymi pustyniami, z pewnością nie będą ani trochę rozbawieni. Z każdym wzrostem zużycia energii — jak widzieliśmy — następuje wzrost działań ekobójczych, od wydobycia po produkcję, od wylesiania po pustynnienie i ostatecznie marnowanie — i jeśli myślisz, że tym razem będzie inaczej… No cóż, mam most, żeby cię sprzedać. Korporacje, uzbrojone w takie „czyste i obfite” źródło energii, z pewnością zniszczyłyby to, co pozostało z planety Ziemia w ciągu dziesięcioleci w poszukiwaniu zasobów, a ostatecznie zysku.

Ludzie, to jest nonsens. Jesteśmy ewidentnie u progu długiego spadku wydobycia ropy i gazu na przegrzanej planecie z powoli umierającym ekosystemem. A naszą największą nadzieją jest to, że uda nam się utrzymać to naprawdę samobójcze tempo wydobycia zasobów przez wiele dziesięcioleci , aż do naszego najlepszego i najzdolniejszego odkrycia fuzji? Naprawdę? Tylko po to, by zdać sobie sprawę, że do tego czasu zabraknie nam paliwa zapłonowego, a nasz wspaniały jednorożec będzie niczym więcej niż kupą radioaktywnego (2) złomu wartego wiele miliardów dolarów, niezdolnego do zasilania siebie, nie mówiąc już o produkcji nowych reaktorów swojego rodzaju? Czy ktoś, ktokolwiek , przemyślał to poważnie? Kto przy zdrowych zmysłach zatwierdził budżet na to wszystko?!

Poważnie, znając tragiczne położenie, w jakim się znajdujemy, powinniśmy być zajęci nauką i ponownym uczeniem się, jak produkować żywność, odzież i mieszkania na planecie przechodzącej w radykalnie inny klimat. Desperacko potrzebujemy planu, w jaki sposób ograniczyć wykorzystanie technologii w połączeniu z naturalnym spadkiem dostępności zasobów i energii. Powinniśmy przyjrzeć się temu, jak żyli ludzie przed naszą erą i zobaczyć, jakie technologie i wiedza naukowa mogą być przydatne w bardzo uszczuplonym świecie, zarówno pod względem zasobów mineralnych/energii, jak i samego życia.

Paliwa kopalne i minerały opuszczą nas wcześniej z powodu wyczerpania, niż my moglibyśmy je opuścić. Cywilizacja przemysłowa zniknie w rezultacie w ciągu najbliższych stu lat, bez względu na to, co zrobimy. Jednak zakładając, że nie rzucimy się w niepamięć w miarę rozwoju historii, być może nauczymy się czegoś w trakcie… Upadek zaawansowanych technologii da również szansę Naturze na regenerację, a nam staniemy się mądrzejsi i dużo, dużo bardziej , podtrzymywalny. Fusion, pomimo tego wielkiego „sukcesu”, na zawsze pozostanie ciastkiem na niebie. Zawsze będzie za 25 lat, tak jak było pół wieku temu… aż ludzie w końcu o tym zapomną. Za jakieś sto lat ludzie nie będą nawet w stanie wytłumaczyć swoim dzieciom, do czego to miało służyć.

Jednak tu i teraz fuzja to strata czasu, pieniędzy i zasobów na gigantyczną skalę. Pomniejsza to i uniemożliwia nam robienie wielu innych rzeczy, które mogłyby mieć sens w naszej sytuacji i pomogłyby nam przejść przez wąskie gardło przed nami. Skupmy się więc na nich i zostawmy technutopię zasilaną fuzją tam, gdzie jej miejsce: na kartach podręczników historii, które jeszcze nie zostały napisane.

Do następnego razu,

B

Uwagi:

(1) W tej chwili możemy tylko zgadywać, jak wykorzystać ogromną energię uwalnianą podczas syntezy jądrowej. Większość z nich ma postać ciepła i promieniowania elektromagnetycznego oraz niektórych cząstek o wysokiej energii. Co z tym zrobimy? Zagotować wodę i zakręcić turbiną parową? Jaki byłby współczynnik konwersji energii? Najlepiej 30%? Czekaj, czy planujemy użyć tego w 30-sekundowych seriach? Wyobraź sobie elektrownię atomową, którą co 30 sekund trzeba schładzać, demontować i naprawiać – to po prostu nie zadziała.

(2) Neutrony są generowane i wbijane w ściany komory reakcyjnej podczas syntezy jądrowej. Ponieważ mają neutralny ładunek, pola elektromagnetyczne nie mogą nic zrobić, aby powstrzymać je przed uszkodzeniem strukturalnym ścian samej komory, zamieniając ją z czasem w kruchy kawałek radioaktywnego złomu. Niebezpieczny odpad, który trzeba było zakopać obok zużytych prętów paliwowych uranu, bez nadziei na recykling. Powodzenia w znalezieniu bezpiecznego miejsca dla obojga.