Laserfuusion vaikein osa nopeutui: polttoainekapseli syntyy nyt noin kolmessa tunnissa

Laserfuusiossa polttoainekapseli ei ole sivuseikka, vaan yksi koko teknologian vaikeimmin valmistettavista osista. Inertia Enterprises kertoo suunnitelleensa täyttö- ja jäädytetyn polttoainekerroksen valmistusprosessin uudelleen niin, että valmis deuterium–tritium- eli D–T-kohde voidaan valmistaa noin kahdessa tai kolmessa tunnissa. Kidekasvatus vie yhtiön mukaan noin 30 minuuttia, kun sama vaihe voi National Ignition Facilityssä (NIF) kestää jopa viikon. 135

Kyse on ennen kaikkea teollistamisesta, ei uudesta fuusiokokeesta. Inertia yrittää muuttaa NIF:n kaltaiset hitaasti ja yksilöllisesti valmistettavat tutkimuskohteet tuotteiksi, joita voitaisiin valmistaa jatkuvalla tuotantolinjalla. Yhtiö ei ole kuitenkaan julkisesti kuvannut prosessin kaikkia teknisiä yksityiskohtia, joten vahvin saatavilla oleva näyttö koskee valmistusajan lyhenemistä – ei riippumattomasti varmennettua tuotantoa kaupallisessa mittakaavassa.

Miksi kapselit ovat niin vaikeita valmistaa?

Laserfuusion polttoainekohde koostuu pallomaisesta timanttikuoresta, jonka sisällä on D–T-kaasua ja tarkasti muotoiltu jäädytetyn D–T-polttoaineen kerros. Kohde sijoitetaan kultaisen hohlraumin eli säteilypesän sisään. Hohlraum muuttaa laserin energian röntgensäteilyksi, joka puristaa polttoaineen kasaan.

Muodon ja kerrosten tasaisuuden on oltava erittäin tarkkoja. Pienetkin poikkeamat pallomaisuudesta voivat häiritä puristumista ja estää syttymiseen johtavan reaktion. 17

NIF:ssä tällaisen kapselin valmistaminen voi kestää viikon tai pidempään ja maksaa raporttien mukaan "pienen omaisuuden". NIF valmistaa kohteita tutkimuskokeita varten, ei sähköä tuottavan voimalan tarvitsemaa jatkuvaa virtaa. 1

Mitä Inertia kertoo muuttaneensa?

Yhtiön mukaan läpimurto keskittyy eniten aikaa vieviin vaiheisiin: kapselin täyttämiseen ja tasaisen jäädytetyn polttoainekiteen kasvattamiseen. Inertia kertoo lyhentäneensä kidekasvatuksen noin 30 minuuttiin ja koko kapselin valmistussyklin noin kahteen tai kolmeen tuntiin. 35

Tämä ei tarkoita, etteikö pallomainen tarkkuus olisi enää tärkeää. Pikemminkin Inertia pyrkii yhdistämään nopeamman valmistuksen järjestelmään, joka sietää hieman enemmän vaihtelua kuin NIF:n tutkimuskoe. Yhtiön suunnitteleman laserin teho olisi noin nelinkertainen NIF:n nykyiseen laseriin verrattuna. Inertian mukaan lisäteho antaisi enemmän pelivaraa kapselien pienille epätäydellisyyksille. 39

Ero on olennainen: nopeampi kapseli on hyödyllinen vain, jos se toimii edelleen syttymiseen vaadittavalla tavalla. Yhtiön haasteena on siis vähentää valmistuksen vaatimaa aikaa ja täydellisyyttä tinkimättä siitä fysiikasta, jonka varaan NIF:n tulokset perustuvat. 1

Miksi valmistusnopeus ratkaisee kaupallisessa fuusiossa?

Kaupallinen laserfuusiovoimala tarvitsisi polttoainekohteita täysin eri tahdilla kuin tutkimuslaitos. Inertian suunnitelmassa täysikokoinen voimala kuluttaisi noin 10 kapselia sekunnissa, joten toistettava ja suurivolyyminen tuotanto olisi yhtä tärkeää kuin laser ja reaktiokammio. 13

Kahden tai kolmen tunnin valmistussykli ei vielä osoita, että tehdas pystyisi toimittamaan kapselit tällä nopeudella. Se osuu kuitenkin yhteen perustavanlaatuiseen pullonkaulaan: sähköä tuottava laitos ei voi nojata viikon kestäviin, käsityönä valmistettuihin tutkimuskohteisiin, jos reaktio on käynnistettävä toistuvasti.

Nopeampi valmistus voisi myös vähentää keskeneräisiin tai odottaviin kapselieriin sitoutuvan tritiumin määrää. Tritium on radioaktiivista ja niukkaa, joten valmistusajan ja prosessissa tarvittavan varaston pienentäminen olisi hyödyllistä polttoaineen käsittelyn ja voimalan talouden kannalta. Saatavilla olevat lähteet tukevat tätä kaupallistamisen perusteena, eivät kuitenkaan mittaustuloksena Inertian todellisesta tritiumvaraston pienenemisestä. 11

Merkittävä edistysaskel – ei vielä valmis fuusio­voimala

Inertian ilmoitus käsittelee yhtä kuilua NIF:n syttymiskokeiden ja kaupallisen järjestelmän välillä: polttoainekohteet pitäisi valmistaa riittävän nopeasti ja yhdenmukaisesti teollista käyttöä varten.

Se ei osoita, että yhtiö olisi ratkaissut kaikkia voimalan muita ongelmia. Niihin kuuluvat muun muassa toistuva käyttö, koko järjestelmän energiatehokkuus, kapselien syöttäminen reaktiokammioon, polttoaineen saatavuus ja sähkön tuottaminen kilpailukykyiseen hintaan.

Tarkimmin tulosta voi siis kuvata rajatummaksi mutta tärkeäksi edistysaskeleeksi – ei merkiksi siitä, että kaupallinen fuusio olisi jo saapunut. Jos valmistusmenetelmä voidaan skaalata niin, että kapselit toimivat edelleen syttymiseen tarvittavalla tavalla, se voisi tehdä NIF:stä johdetusta lähestymistavasta paremmin tehdastuotantoon sopivan. Inertia itse kuvaa polttoaineen täyttämistä yhdeksi useista kaupallisen voimalan tiellä olevista esteistä. 15