Технологии ядерного синтеза набирают обороты?

Чтобы добраться до одной из самых секретных в мире компаний ядерного синтеза, посетители должны держать путь к востоку от Ирвайна в Калифорнии, пока не уткнутся в большую штаб-квартиру Tri Alpha Energy безо всяких опознавательных знаков.

Она настолько закрыта, что никто не может попасть внутрь, не подписав соглашение о неразглашении. Ресурсу ScientificAmerican удалось провести тщательное расследование. Tri Alpha защищает свои коммерческие тайны так крепко, что у нее даже нет веб-сайта. Но фрагменты информации, которые были тщательно отфильтрованы, сообщают, что эта компания проводит один из крупнейших экспериментов, связанных с синтезом, в США. Ничего традиционного в ее эксперименте нет. Вместо того чтобы использовать токамак в форме пончика, который доминирует на поле исследования энергии синтеза более 40 лет, Tri Alpha тестирует линейный реактор, который будет якобы меньше, проще и дешевле — и приведет к коммерческой энергии синтеза всего за десять лет, в отличие от 30 и 50 лет, которые часто приписывают токамакам.

Звучит все это крайне привлекательно в то время, когда мировой лидер ядерного синтеза, гигантский токамак под названием ITER (изначально аббр. от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР), погряз в задержках и перерасходах средств. Объект, который строится в Кадараше, Франция, как ожидается, будет первым термоядерным реактором, способным генерировать избыток энергии при постоянном сгорании плазменного топлива. Но его стоимость, похоже, составит 50 миллиардов долларов — почти в 10 раз больше первоначальной оценки — и его работа не начнется раньше 2027 года, что на 11 лет позже запланированного.

Поскольку ITER отнимает львиную долю от бюджета стран, направленного на развитие ядерного синтеза, поклонники альтернативных подходов практически не видят поддержки со стороны правительств. Однако нарастающее нетерпение, связанное с технологией токамаков, стимулирует команду Tri Alpha и многих физиков в США и Канаде разрабатывать альтернативные варианты. За последнее десятилетие-полтора эти индивидуалисты породили по меньшей мере десяток компаний, которые разрабатывают альтернативные схемы достижения безубыточного ядерного синтеза. Некоторые даже сообщают об интересных результатах, не говоря уж о привлечении значительных инвестиций. Сама Tri Alpha привлекла 150 миллионов долларов от таких гигантов, как соучредителя Microsoft Пола Аллена и венчурного капитала «Роснано».

Этот успех привлекает все больше внимания к их смелым обещаниям. Tri Alpha «столкнулась с очень сложными проблемами на старте масштабирования до размеров реактора», говорит Джеффри Фрейдберг, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института. Например, компании нужно доказать, что она может достичь температуры в миллиард кельвинов, необходимой для сжигания экзотического топлива, которое она хочет использовать, а также продемонстрировать путь конвертации энергетического выхода в электричество. Подобные вопросы поднимаются и другими стартапами, говорит Стивен Дин, возглавляющий Ассоциацию ядерного синтеза.

В принципе, строительство термоядерного реактора — это просто вопрос подражания Солнцу. Возьмем соответствующие изотопы водорода или другие легкие элементы, добавим тепла, чтобы выбить электроны из ядра и сформировать ионизированную плазму, затем сожмем эту плазму и дадим ей немного времени, чтобы ядра сплавились и конвертировали часть своей массы в энергию. Однако на практике попытка имитировать звезду приводит к ужасающим инженерным проблемам: например, горячая плазма в ловушке в магнитном поле, как правило, изгибается подобно разъяренной змее и пытается сбежать.

Исследователи синтеза издавна предпочитали токамаки как лучший способ сдерживания этого плазменного зверя. Разработанные еще советскими физиками в 1950-х годах реакторы позволяли достичь плотности, температуры и времени удержания плазмы гораздо более высоких, чем в любой другой машине до них. И по мере того, как физики усовершенствовали дизайн токамаков, они улучшали способ контроля высокоэнергетической плазмы.

Но с самого начала многие физики задавались вопросами, могут ли токамаки быть расширены для достижения коммерческой выходной мощности. И этот вопрос оказался невероятно сложным. Тороидальная камера должна быть окутана несколькими рядами электромагнитных катушек, формирующих магнитное поле, которое будет ограничивать плазму. И еще больше катушек должны проходить через отверстие «пончика», чтобы пропускать мощный электрический ток через плазму.

Затем идет топливо, смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Д-Т по праву считается единственным вменяемым выбором для энергетического реактора, поскольку зажигается при более низкой температуре, чем любая другая комбинация — всего 100 миллионов кельвинов (почти столько же в цельсиях) — и выдает больше энергии. Но 80% этой энергии выходит из реакции в виде превышения скорости нейтронов, которые сеят хаос на стенках энергетического реактора, делая их чрезвычайно радиоактивными в результате. Чтобы вырабатывать электроэнергию, энергию нейтронов нужно использовать для нагревания воды в обычной паровой турбине — а этот процесс эффективен только на 30-40%.

Стоимость, сложность и медленный прогресс также преследуют инерциальный управляемый термоядерный синтез, наиболее заметную альтернативу магнитному удержанию токамаков. Этот подход, в ходе которого замороженные топливные гранулы взрываются мощными лазерными лучами, также получает часть государственного финансирования. Но несмотря на десятилетние усилия с инерциальным синтезом, инициативы вроде Национального фонда зажигания в Ливерморской национальной лаборатории все еще пытаются выполнить свои энергетические обещания синтеза.

«Думаю, стоит честно сказать, что ни одной из групп не удалось пока достичь момента, когда синтез может быть продемонстрирован быстро и зрелищно», — говорит он.

В принципе, строительство термоядерного реактора — это просто вопрос подражания Солнцу. Возьмем соответствующие изотопы водорода или другие легкие элементы, добавим тепла, чтобы выбить электроны из ядра и сформировать ионизированную плазму, затем сожмем эту плазму и дадим ей немного времени, чтобы ядра сплавились и конвертировали часть своей массы в энергию. Однако на практике попытка имитировать звезду приводит к ужасающим инженерным проблемам: например, горячая плазма в ловушке в магнитном поле, как правило, изгибается подобно разъяренной змее и пытается сбежать.

Исследователи синтеза издавна предпочитали токамаки как лучший способ сдерживания этого плазменного зверя. Разработанные еще советскими физиками в 1950-х годах реакторы позволяли достичь плотности, температуры и времени удержания плазмы гораздо более высоких, чем в любой другой машине до них. И по мере того, как физики усовершенствовали дизайн токамаков, они улучшали способ контроля высокоэнергетической плазмы.

Но с самого начала многие физики задавались вопросами, могут ли токамаки быть расширены для достижения коммерческой выходной мощности. И этот вопрос оказался невероятно сложным. Тороидальная камера должна быть окутана несколькими рядами электромагнитных катушек, формирующих магнитное поле, которое будет ограничивать плазму. И еще больше катушек должны проходить через отверстие «пончика», чтобы пропускать мощный электрический ток через плазму.

Затем идет топливо, смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Д-Т по праву считается единственным вменяемым выбором для энергетического реактора, поскольку зажигается при более низкой температуре, чем любая другая комбинация — всего 100 миллионов кельвинов (почти столько же в цельсиях) — и выдает больше энергии. Но 80% этой энергии выходит из реакции в виде превышения скорости нейтронов, которые сеят хаос на стенках энергетического реактора, делая их чрезвычайно радиоактивными в результате. Чтобы вырабатывать электроэнергию, энергию нейтронов нужно использовать для нагревания воды в обычной паровой турбине — а этот процесс эффективен только на 30-40%.

Стоимость, сложность и медленный прогресс также преследуют инерциальный управляемый термоядерный синтез, наиболее заметную альтернативу магнитному удержанию токамаков. Этот подход, в ходе которого замороженные топливные гранулы взрываются мощными лазерными лучами, также получает часть государственного финансирования. Но несмотря на десятилетние усилия с инерциальным синтезом, инициативы вроде Национального фонда зажигания в Ливерморской национальной лаборатории все еще пытаются выполнить свои энергетические обещания синтеза.

Вызывала опасения и работа над стелларатором: тороидальным устройством, упрощающим некоторые аспекты токамака, но требующим еще более сложные магниты. Большинство основных плазменных физиков просто оставили практические вопросы инженерии на потом, предполагая, что с развитием физики плазмы и им найдется решение. Самые доходчивые, которых было меньшинство, пришли к выводу, что нужно радикальное решение: сначала разработать инженерно правильный, но простой и дешевый реактор, которым захотят обзавестись все энергетические компании, а затем уже пытаться управлять плазмой.

Одним из таких выскочек был Норман Ростокер, физик из Калифорнийского университета, который стал соучредителем Tri Alpha в 1998 году в возрасте 72 лет. Вместе с коллегами он предложил отказаться от топлива Д-Т в пользу бора-11, стабильного изотопа, содержащего около 80% натурального бора. Воспламенение такого p-11B топлива потребует температуры около миллиарда кельвинов, почти в 100 раз выше, чем в ядре Солнца. Энергии, которая появится в результате такого синтеза, будет в два раза меньше, чем при сжигании Д-Т. Но эта реакция на практике освободит от ряда проблем с нейтронами: синтез будет рождать всего три энергетических ядра гелия, также известного как альфа-частицы. Они заряжены, поэтому их можно будет перенаправить магнитными полями в «обратный циклотрон», устройство, которое преобразует их энергию в обычный электрический ток с почти 90-процентной эффективностью.

Горение плазмы p-11B с температурой в миллиард градусов в токамаке — крайне сложный вопрос, хотя бы потому, что для управления такой плазмой нужны будут неосуществимо большие магнитные поля. Поэтому Ростокер и его коллеги разработали линейный реактор, который выглядит как две пушки, направленные одна на другую. Каждая пушка будет стрелять кольцами плазмы, которые называются плазмоидами и которые на удивление стабильны. Поток ионов в плазме будет генерировать магнитное поле, которое, в свою очередь, будет удерживать плазму.

«Это самая идеальная конструкция, которую только можно представить», — говорит Алан Хоффман, физик плазмы из Университета Вашингтона в Сиэтле.
Чтобы запустить реактор, каждая пушка выстрелит плазмоидом в центральную камеру, где они объединятся в большой, свободно плавающий сгусток, который будет жить так долго, сколько его будет поддерживать дополнительное топливо. Альфа-частицы, выходящие в процессе реакции, будут отправляться обратно в пушки другим магнитным полем и захватываться преобразователями энергии.

К тому моменту, когда команда подготовила к публикации основы этой концепции в 1997 году, стало понятно, что Министерство энергетики США не собирается финансировать разработку машины, предпочитая сосредоточиться на токамаках.

«Крупные эксперименты финансируются десятилетиями, поэтому весьма мало шансов, что они не оправдают усилий, — говорит Джон Слау, плазменный физик из Вашингтонского университета. — Если они начнут финансировать все эти альтернативы, вернутся неопределенности».
Поэтому Ростокер и его коллеги решили воспользоваться надежной культурой высокотехнологичных стартапов США и венчурного финансирования. Они создали компанию, назвали ее Tri Alpha в честь выхода реакции p-11B, затем собрали достаточно инвестиций и трудоустроили более 100 человек.

Стивен Дин подозревает, что объяснить то, почему Tri Alpha работает в условиях секретности, может объяснить мышление стартапа. Компания, финансируемая венчурным капиталом, должна развивать свои идеи так, чтобы никто другой о них не знал. Но за последние пять лет или около того команда начала позволять своим сотрудникам делиться результатами и представлять их на конференциях. Со своей нынешней экспериментальной машиной, 10-метровым устройством C-2, Tri Alpha показала, что сталкивающиеся плазмоиды сливаются как и ожидалось, а плазменный шар живет в течение 4 миллисекунд — что невероятно долго по стандартам плазменной физики — пока впрыскиваются потоки топлива. В прошлом году исследователь Tri Alpha Хоуянг Гуо анонсировал на плазменной конференции в Форт-Уорте, штат Техас, что длительность горения была увеличена до 5 миллисекунд. Теперь компания ищет средства для строительства большей машины.

«С научной точки зрения она весьма успешна, — говорит Хоффман. — Но это не p-11B».
Пока что Tri Alpha работает только с дейтерием и далека от достижения экстремальных условий, необходимых для плазмы, чтобы сжигать свое конечное топливо.

Кроме того, Tri Alpha не продемонстрировала прямое преобразование альфа-частиц в электричество.

«Я не видел никаких схем, которые бы работали на практике», — говорит Мартин Гринвальд, физик Массачусетского технологического института и бывший член комитета наблюдения за ядерным синтезом. Вместо этого, Tri Alpha планирует запустить свой первый реактор с участием более традиционной паровой турбины.
Другие предприниматели, связанные с ядерным синтезом, сталкиваются с подобными проблемами, но это их не останавливает. Слау работает старшим научным сотрудником в Helion Energy в Редмонде, которая разрабатывает линейный реактор сталкивающихся пучков, который будет достаточно мал, чтобы его можно было возить на грузовике. Реактор Helion будет стрелять устойчивым потоком плазмоидов с каждой стороны в камеру, в которой топливо будет сдавливаться магнитным полем, пока не начнется синтез. В течение одной секунды продукты синтеза будут уходить прочь, по мере того как будет прилетать новая пара плазмоидов.

«Нам нравится сравнивать этот процесс с дизельным двигателем, — говорит старший разработчик компании Дэвид Киртли. — Вы впрыскиваете топливо, сжимаете его поршнем, пока оно не зажжется без искры, а взрыв выбивает поршень обратно».
Helion продемонстрировала концепцию Д-Д реактора с плазмоидами, которые запускаются каждые три минуты, а теперь ищет 15 миллионов частного финансирования на следующие пять лет, чтобы разработать полномасштабную машину, которая будет использовать Д-Т топливо для достижения точки безубыточности и генерировать столько энергии, сколько нужно для поддержания работы. Компания надеется, что ее реактор в конечном итоге может достичь более горячих условий, необходимых для слияния дейтерия с гелием-3, другой комбинации, которая производит только альфа-частицы и протоны, без нейтронов в качестве побочных продуктов.

Киртли с оптимизмом смотрит на деньги.

«У рынка есть гигантская потребность в недорогой, безопасной и чистой энергии. Таким образом, мы можем наблюдать большой толчок в частном инвестиционном сообществе, которое хочет финансировать альтернативные способы ее получения. И если сбор средств будет успешным, мы планируем запустить наш пилотный реактор за шесть лет».

Томас Джарбо, сотрудник Вашингтонского университета, отметил, что принцип токамаков и строящийся ITER во Франции, работает: токамаки действительно могут заставить атомы слиться, при этом выделяя энергию. «Метод работает, но неэффективно. Это большая проблема для магнитного удержания (плазмы)», чтобы поддержать управляемый синтез, энергии расходуется намного больше, чем ее получается — пояснил ученый. . Т. Джарбо более двадцати лет работали над альтернативой удержания плазмы при термоядерном синтезе. Основывается этот подход на том, что магнитное поле в плазме, которая находится в устройстве впрыска, спиральное. Спираль создает в плазме ассиметричные токи, которые генерируют необходимые электрические и магнитные поля, которые нагревают и удерживают то, что содержится в спиральных рукавах. Проблема состоит в том, что хотя это и обходится меньшим количеством энергии, но создает нестабильность при удержании плазмы: случайными колебаниями она может прекратить удерживаться, реакция слияния ядер прерывается.
Отличаясь от традиционного метода, новый, который реализует группа Томаса Джарбо, использует ассиметричное поле, поэтому плазма не должна быть нестабильной. «Мы показали, что можем поддержать стабильное равновесие и контролировать плазму, это означает, что магнитное поле сможет удержать больше плазмы», — прокомментировал последние успехи группы Т. Джарбо. Удержание плазмы происходит за счет внутренних магнитных спиралевидных структур, которые образовываются в плазме. Ученые использовали то, что называется наложенным динамо-токовым приводом. У устройства имеются две катушки переменного генерирования тока на каждой стороне центрального ядра аппарата. Если постоянно применять изменяющееся направление возникновения тока, снимается проблема поддержания стабильности. Полное использование нового метода невозможно из-за того, что установка Вашингтонского университета мала и поэтому выбрасывает часть плазмы в виде газа. Чтобы продемонстрировать энергоэффективность данного метода, она прекрасно подходит, а для поддержки масштабного термоядерного синтеза, физики в ближайшее время создадут устройство с большим реактором.

Другие альтернативные концепции держатся за топливо Д-Т, но по-разному его ограничивают. В Барнаби, Канада, исследователи General Fusion разработали реактор, в котором плазмоиды из Д-Т вводятся во вращающийся вихрь жидкого свинца, который затем измельчается лесом поршней. Если это сжатие происходит в течение нескольких микросекунд, плазма взорвется, образовав условия для синтеза. Одним из преимуществ такой конструкции является то, что жидкий свинец не страдает под воздействием бомбардировки нейтронами, говорит Мишель Лаберж, основавший General Fusion в 2002 году.

General Fusion продемонстрировала свою идею на примере малого устройства, используя поршни, управляемые с использованием взрывчатых веществ, и собрала около 50 миллионов долларов от венчурных капиталистов и правительства Канады. Если компания сможет собрать еще 25 миллионов или около того, говорит Лаберж, она построит более плотную систему взрыва, которая сможет сжать плазму до нужного уровня для синтеза — возможно, в следующие несколько лет.

Несмотря на этот оптимизм, Дин считает, что понадобится не меньше десяти лет, а может и дольше, прежде чем любая альтернативная компания ядерного синтеза построит рабочий реактор. Существует слишком много новых технологий, которые нуждаются в демонстрации.

«Я думаю, все они хорошо замотивированы и их стоит поддерживать — но я не думаю, что мы находимся на грани прорыва».
В любом случае больше всего денег сейчас собирает именно ITER, и конца этому процессу не видно. В настоящее время альтернативным системам, вероятнее всего, придется искать большие деньги в частном секторе. И они найдут их. Несмотря на все технические препятствия, инвесторы готовы рисковать.

«Люди начинают задумываться о том, что могут быть и другие способы сделать это, — говорит Слау. — Может быть, стоит потратить несколько миллионов, чтобы узнать это».