Tracing the sources of nuclear fusion / Tracciare le fonti della fusione nucleare
When engineering takes inspiration from small animals, the word ‘humble’ is certain to turn up in any descriptions of the technology. But there’s nothing humble about the pistol shrimp, apart from its size.
Only millimetres in length, these crustacea are fearsome hunters, marvels of evolution and possessed of the nearest thing we know to superpowers. They are the only creatures apart from humans that kill their prey from a distance, but they don’t need to rely on weapons.
Instead, the pistol shrimp sports one outsize claw which it can snap (almost exactly like snapping fingers) to generate a shockwave that can stun or kill even much larger animals, including fish.
This unlikely ability makes this tiny animal the loudest creature on the planet, louder even than sperm whales (whose entire cranial anatomy has evolved to produce high energy sonar clicks) and beluga whales, the opera singers of the seas. Pistol shrimp are so loud that they interfere with submarine navigation.
Studying pistol shrimp led Dr Nick Hawker, a speaker at the recent The Engineer conference, which ran alongside the Subcon exhibition at the National Exhibition Centre in June, to what might seem to be the unintuitive conclusion that this marvellous oddity might be the answer to humanity’s biggest current challenge: ensuring the supply of the electricity on which our lifestyles depend without further damaging the planet’s ability to support human life. Hawker is developing a technological theory that might be the key to nuclear fusion: the time-worn but keenly chased goal of near unlimited energy with little to no pollution drawbacks by recreating the process that powers the sun.
Energy on a big scale
There are many routes to fusion, but the most studied revolve around creating almost inconceivably high temperatures in volumes of electrically charged gas (plasma) and squeezing them in titanic magnetic fields inside enormous machines – this is known as magnetic confinement fusion. The Engineer has covered this in detail in several features about the France-based project ITER, in which 35 countries are collaborating to build the largest ever magnetic confinement fusion reactor.
Although significant progress has been made towards producing fusion by magnetic confinement, it has not yet succeeded in demonstrating gain – that is, producing more energy than it takes to trigger fusion.
Hawker is taking a completely different route, known as inertial confinement. This centres around triggering fusion by physically crushing a bubble of plasma. And this is where the pistol shrimp comes in. The shockwave with which it hunts is accompanied by collapsing bubbles: when it clicks its claw, the moving digit rips through the water so quickly that it causes a pressure drop in its wake that vaporises water, creating bubbles – a process known as cavitation, which also occurs in the wake of rotating propeller blades. The shockwave generated by the claw causes the bubbles to implode, raising their internal temperature so high that they generate light. This is the only known example of inertial confinement in the universe, apart from in stars as they collapse into a supernova. Intertial confinement is also being pursued by the National Ignition Facility in California, but they use powerful lasers to trigger bubble collapse.
Collapsing bubbles has been a known possible source of nuclear fusion for some time. In the early 2000s, an engineer at Purdue University in the US claims to have generated fusion by collapsing bubbles in liquid through bombarding them with ultrasound: a technique that became known as sonofusion. However, the results of experiments could not be replicated and he was charged with misconduct.
Sonofusion is not the path pursued by Hawker’s company, Oxford-based First Light Fusion, he told The Engineer.
“Sonofusion is complex – the ultrasound that vibrates the bubble to make it implode and that’s not a stable or predictable process,” he explained. “The conditions that could cause it have been mapped pretty well and there is only a very small set of conditions where fusion is possible.” Rather than using ultrasound, First Light follows the pistol shrimp example, creating a powerful shockwave to force a bubble to implode. That shockwave is produced by firing a projectile into a target that contains a small void or voids filled with fusion fuel; the impact mimics the shrimp’s clicking of one part of its claw against the other.
The crucial condition to raise the pressure (and hence the temperature) inside the void high enough to initiate fusion is the velocity of the projectile when it hits the target, Hawker said. “To be honest, we’re talking about brute force.” The velocity of the projectile directly maps to the speed of the implosion, which controls whether the contents of the bubble reach fusion temperatures (around 50 million°C).
For example, the National Ignition Facility (NIF) in California, the largest experiment into inertial confinement fusion in the world, is using powerful lasers to trigger an explosive implosion of a capsule of fusion fuel at around 350km/s – compared with around 5km/s for most sonofusion experiments.
“If you keep turning up the shock strength, which correlates to both the internal pressure of the bubble and the velocity of implosion, can you eventually get the same conditions present at NIF? And the answer in my research was yes, you can,” Hawker explained.
One complicating factor is that with projectile-triggered implosion, the shockwave hits the bubble on one side and the collapse is planar, which is very different from the situation at NIF, where lasers hit capsules from all sides simultaneously and the implosion is symmetrical. One way to tackle this problem, Hawker said, is with the geometry of the target.
The display target model that Hawker shows when explaining his process is a transparent Perspex cube with a single bubble in its centre, with inlet tubes on either side through which fuel would be introduced. “But the actual thing won’t be one spherical cavity by itself, it’ll be something more complicated,” Hawker said.
One demonstration that Hawker shows features two spherical bubbles side-by-side. Tucked into the space where two edges approach each other is a single, much smaller spherical bubble. In this simulation, when the planar shockwave approaches from the opposite side of the two bubbles from where the small bubble is located, the large bubbles collapse and turn inside out and this collapse envelops the small bubble.
“We call this convergence, and it’s crucial to getting the correct geometry of implosion,” Hawker said. “The target itself could be made from any solid material, in theory. You hit it so hard with the projectile that it behaves like liquid.”
The projectile is accelerated using an electromagnetic launcher device which makes up the bulk of the fusion machine. If magnetic confinement is characterised by enormous magnets, and the NIF’s inertial fusion by enormous lasers, then First Light is characterised by banks of capacitors which act like a camera flash, storing a huge amount of electric charge released in an instant to generate a magnetic field of 500 to 1,000 Tesla, which launches the projectile at around twice the escape velocity (some 22km/s, which is about Mach 66). This is still nowhere near the implosion velocities achieved at NIF, which is why the target design is so crucial, Hawker explained.
High-velocity implosion
Although the shockwave travels inside the target material faster than the projectile velocity, the geometry and arrangement of the fusion fuel containing bubbles inside the target acts to concentrate the force and increase the velocity of implosion. “If you can get the target bubbles up to about 5keV, you start to trigger fusion and it self-heats, it’s an incredibly non-linear process and will rocket up to millions of keV in a few picoseconds. That will burn a much larger fraction of the fusion fuel than a magnetic confinement reactor will,” Hawker said.
First Light plans to prove it can achieve fusion with its existing machine using deuterium fuel alone. Its next stage, for which it will need to raise a substantial amount of money, will involve building a machine some 40 times larger to demonstrate energy gain. At this stage First Light will also design features to capture the energy of fusion.
Hawker explained that the current idea is to use a liquid lithium coolant in a pool below the target with a cascading cylindrical curtain of liquid lithium falling around the sides, so all the energy emitted apart from that which is going straight upwards will be intercepted by the liquid metal. Fast neutrons emitted by the fusion reaction will collide with lithium atoms in the coolant to generate tritium, the heavier isotope of hydrogen which is the other component of “standard” fusion fuel.
“Liquid metal coolant has been used extensively in fast breeder reactors, notably at Dounreay in Scotland,” Hawker said. “They tend to use sodium or an alloy of sodium and potassium, and liquid lithium is slightly different chemically but behaves in the same way physically, so we can use the expertise gained in these reactors to design our system. We can also put the coolant through a similar type of heat exchange system that the breeder reactors used to use the fusion energy to raise steam and generate electricity.
“In essence, what we are talking about is a plant that could be built by any company with experience of fabricating large components. If you can make a nuclear reactor, you can make one of our plants. In fact, if you can make a gas-fired power station, you would be able to make one of ours as well.”
ITALIANO
Lunghi solo un millimetro, questi crostacei sono temibili cacciatori, meraviglie dell'evoluzione e possiedono la cosa più vicina che conosciamo ai superpoteri. Sono le uniche creature a parte gli umani che uccidono le loro prede da lontano, ma non hanno bisogno di fare affidamento sulle armi.
Invece, il gambero della pistola sfoggia un artiglio fuori misura che può spezzarsi (quasi esattamente come schioccare le dita) per generare un'onda d'urto che può stordire o uccidere anche animali molto più grandi, incluso il pesce.
Questa improbabile abilità rende questo piccolo animale la creatura più rumorosa del pianeta, più forte persino dei capodogli (la cui intera anatomia cranica si è evoluta per produrre scatti sonar ad alta energia) e le balene beluga, i cantanti lirici dei mari. I gamberi della pistola sono così rumorosi da interferire con la navigazione sottomarina.
Lo studio dei gamberetti delle pistole ha portato il dott. Nick Hawker, un oratore del recente conferenza The Engineer, che ha partecipato alla mostra Subcon al National Exhibition Center di giugno, a quella che potrebbe sembrare la conclusione poco intuitiva che questa meravigliosa stranezza potrebbe essere la risposta al più grande sfida attuale dell'umanità : assicurare l'approvvigionamento dell'elettricità da cui dipendono i nostri stili di vita senza danneggiare ulteriormente la capacità del pianeta di sostenere la vita umana. Hawker sta sviluppando una teoria tecnologica che potrebbe essere la chiave per la fusione nucleare: l'obiettivo logorato, ma acutamente perseguitato, di energia quasi illimitata con pochi o nessun inconvenienti di inquinamento ricreando il processo che alimenta il sole.
Energia su larga scala
Ci sono molti percorsi per la fusione, ma i più studiati ruotano intorno alla creazione di temperature quasi inconcepibilmente alte in volumi di gas (plasma) caricati elettricamente e li spremono in campi magnetici titanici all'interno di enormi macchine - questa è nota come fusione di confinamento magnetico. L'ingegnere ha trattato questo in dettaglio in diverse caratteristiche del progetto ITER con sede in Francia, in cui 35 paesi stanno collaborando per costruire il più grande reattore di fusione a confinamento magnetico mai realizzato.
Sebbene siano stati compiuti progressi significativi verso la produzione di fusione mediante confinamento magnetico, non è ancora riuscito a dimostrare il guadagno, ovvero produrre più energia di quanto possa servire per innescare la fusione.
Hawker sta seguendo un percorso completamente diverso, noto come confinamento inerziale. Ciò è incentrato sull'innescare la fusione schiacciando fisicamente una bolla di plasma. Ed è qui che entra in gioco il gambero della pistola. L'onda d'urto con cui caccia è accompagnata da bolle collassanti: quando fa clic sul suo artiglio, il movimento squarcia l'acqua così rapidamente da provocare una caduta di pressione nella sua scia che vaporizza acqua, creazione di bolle - un processo noto come cavitazione, che si verifica anche sulla scia delle pale rotanti dell'elica. L'onda d'urto generata dall'artiglio fa implodere le bolle, aumentando la loro temperatura interna così alta da generare luce. Questo è l'unico esempio conosciuto di confinamento inerziale nell'universo, a parte le stelle che collassano in una supernova. Il confinamento intertiale è perseguito anche dal National Ignition Facility in California, ma usano potenti laser per innescare il collasso delle bolle.
Le bolle crollanti sono state una fonte nota di fusione nucleare da un po 'di tempo. Nei primi anni 2000, un ingegnere della Purdue University negli Stati Uniti afferma di aver generato fusione fondendo le bolle nel liquido bombardandole con gli ultrasuoni: una tecnica che divenne nota come sonofusione. Tuttavia, i risultati degli esperimenti non possono essere replicati e lui è stato accusato di cattiva condotta.
Sonofusion non è il percorso perseguito dalla società di Hawker, la First Light Fusion di Oxford, ha dichiarato a The Engineer.
"La sonofusione è complessa - l'ultrasuono che fa vibrare la bolla per farlo implodere e non è un processo stabile o prevedibile", ha spiegato. "Le condizioni che potrebbero causarle sono state mappate abbastanza bene e c'è solo un insieme molto piccolo di condizioni in cui la fusione è possibile". Piuttosto che usare gli ultrasuoni, First Light segue l'esempio di gamberetti a pistola, creando una potente onda d'urto per forzare una bolla implodere. L'onda d'urto viene prodotta sparando un proiettile su un bersaglio che contiene un piccolo vuoto o vuoti pieni di combustibile per fusione; l'impatto imita il clic del gambero di una parte del suo artiglio contro l'altro.
La condizione cruciale per aumentare la pressione (e quindi la temperatura) all'interno del vuoto abbastanza alto da iniziare la fusione è la velocità del proiettile quando colpisce il bersaglio, ha detto Hawker. "Per essere onesti, stiamo parlando di forza bruta". La velocità del proiettile si orienta direttamente alla velocità dell'implosione, che controlla se il contenuto della bolla raggiunge temperature di fusione (circa 50 milioni di ° C).
Ad esempio, il National Ignition Facility (NIF) in California, il più grande esperimento nella fusione del confinamento inerziale nel mondo, utilizza potenti laser per innescare un'implosione esplosiva di una capsula di combustibile da fusione a circa 350 km / s - rispetto a circa 5 km / s per la maggior parte degli esperimenti di sonofusione.
"Se continui ad alzare la forza dello shock, che è correlata sia alla pressione interna della bolla che va alla velocità dell'implosione, puoi finalmente ottenere le stesse condizioni presenti al NIF? E la risposta nella mia ricerca era sì, è possibile ", ha spiegato Hawker.
Un fattore complicante è che con l'implosione innescata dal proiettile, l'onda d'urto colpisce la bolla su un lato e il collasso è planare, che è molto diverso dalla situazione del NIF, dove i laser colpiscono contemporaneamente le capsule da tutti i lati e l'implosione è simmetrica. Un modo per affrontare questo problema, ha detto Hawker, è con la geometria del bersaglio.
Il modello di visualizzazione del display che Hawker mostra quando spiega il suo processo è un cubo di Perspex trasparente con una singola bolla al centro, con tubi di ingresso su entrambi i lati attraverso i quali verrà introdotto il carburante. "Ma la cosa reale non sarà una cavità sferica da sola, sarà qualcosa di più complicato", ha detto Hawker.
"Chiamiamo questa convergenza ed è fondamentale per ottenere la geometria corretta di implosione", ha detto Hawker. "In teoria, l'obiettivo stesso potrebbe essere ricavato da qualsiasi materiale solido. Lo colpisci così tanto con il proiettile che si comporta come liquido. "
Il proiettile viene accelerato utilizzando un dispositivo di lancio elettromagnetico che costituisce la maggior parte della macchina per fusione. Se il confinamento magnetico è caratterizzato da enormi magneti e la fusione inerziale del NIF da parte di enormi laser, First Light è caratterizzata da banchi di condensatori che agiscono come un flash della fotocamera, immagazzinando un'enorme quantità di carica elettrica rilasciata in un istante per generare un campo magnetico da 500 a 1.000 Tesla, che lancia il proiettile a circa il doppio della velocità di fuga (circa 22 km / s, che riguarda Mach 66). Questo non è ancora lontanamente vicino alle velocità di implosione raggiunte dal NIF, ed è per questo che la progettazione dell'obiettivo è così cruciale, ha spiegato Hawker.
Implosione ad alta velocità
Sebbene l'onda d'urto si muova all'interno del materiale bersaglio più velocemente della velocità del proiettile, la geometria e la disposizione del carburante di fusione contenente bolle all'interno del bersaglio agiscono per concentrare la forza e aumentare la velocità di implosione. "Se riesci a far salire le bolle target a circa 5keV, inizi a innescare la fusione e si auto-riscalda, è un processo incredibilmente non lineare e raggiungerà milioni di keV in pochi picosecondi. Quello brucerà una frazione molto più grande del combustibile di fusione di un reattore a confinamento magnetico ", ha detto Hawker.
First Light ha in programma di dimostrare che può raggiungere la fusione con la sua macchina esistente utilizzando solo il combustibile al deuterio. La sua prossima fase, per la quale dovrà raccogliere una notevole quantità di denaro, comporterà la costruzione di una macchina circa 40 volte più grande per dimostrare il guadagno di energia. In questa fase First Light progetterà anche le caratteristiche per catturare l'energia della fusione.
Hawker ha spiegato che l'idea attuale è quella di utilizzare un refrigerante liquido al litio in una piscina al di sotto del bersaglio con una cortina cilindrica a cascata di litio liquido che cade intorno ai lati, quindi tutta l'energia emessa a parte quella che sale verso l'alto sarà intercettata dal metallo liquido. I neutroni veloci emessi dalla reazione di fusione entrano in collisione con gli atomi di litio nel refrigerante per generare trizio, l'isotopo più pesante dell'idrogeno che è l'altro componente del combustibile per fusione "standard".
"Il refrigerante liquido metallico è stato ampiamente utilizzato nei reattori autofertilizzanti veloci, in particolare a Dounreay in Scozia", ha affermato Hawker. "Tendono ad usare sodio o una lega di sodio e potassio, e il litio liquido è leggermente diverso dal punto di vista chimico ma si comporta allo stesso modo fisicamente, quindi possiamo usare l'esperienza acquisita in questi reattori per progettare il nostro sistema. Possiamo anche inserire il refrigerante attraverso un sistema di scambio termico simile a quello usato dai reattori autofertilizzanti per utilizzare l'energia di fusione per aumentare il vapore e generare elettricità.
"In sostanza, ciò di cui stiamo parlando è un impianto che potrebbe essere costruito da qualsiasi azienda con esperienza nella fabbricazione di componenti di grandi dimensioni. Se riesci a costruire un reattore nucleare, puoi realizzare uno dei nostri impianti. In effetti, se riesci a costruire una centrale elettrica a gas, potresti anche fare uno dei nostri progetti. "
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