Max Home IndustryГлубоко под пустыней Невада в 1980-х годах США проводили секретные исследования ядерного оружия.
Среди экспериментов была попытка выяснить, можно ли осуществить термоядерный синтез, реакцию, которая питает солнце, на Земле в контролируемых условиях.
Эксперименты были засекречены, но среди физиков было широко известно, что результаты были многообещающими.
Эти знания привлекли внимание двух молодых аспирантов, работавших в Лос-Аламосской национальной лаборатории в конце 2000-х годов, Коннера Гэллоуэя и Александра Валиса.
Первоначально Лос-Аламосская лаборатория была создана в 1943 году как сверхсекретный объект для разработки первого ядерного оружия. Расположенная недалеко от Санта-Фе, штат Нью-Мексико, она теперь является научно-исследовательским и опытно-конструкторским центром правительства США.
«Когда Алекс и я узнали об этих испытаниях в Лос-Аламосе, наша реакция была такой: «Ух ты, инерционный синтез уже сработал!». Были зажжены гранулы лабораторного масштаба, подробности были засекречены, но было обнародовано достаточно, чтобы мы знали, что зажигание было достигнуто», — говорит Гэллоуэй.
Ядерный синтез — это процесс слияния ядер водорода, в результате которого выделяется огромное количество энергии. В результате реакции образуется гелий, а не долгоживущие радиоактивные отходы процесса деления, которые используются на существующих атомных электростанциях.
Если синтез можно будет использовать, то он обещает обильное электричество, вырабатываемое без производства CO2.
Эти испытания в 1980-х годах привели к тому, что правительство США построило Национальный центр зажигания (NIF) в Калифорнии, проект по исследованию возможности зажигания гранул ядерного топлива с помощью мощного лазера.
После более чем десятилетия работы в конце 2022 года исследователи NIF совершили прорыв. Ученые провели первый эксперимент по контролируемому термоядерному синтезу, чтобы получить больше энергии из реакции, чем вырабатывали лазеры, которые ее зажгли.
В то время как физики по всему миру восхищались этим прорывом, ученым NIF потребовалось гораздо больше времени, чем ожидалось.
«Им не хватало энергии», — говорит Гэллоуэй.
Он не имеет в виду, что им нужно было больше закусок, вместо этого лазер NIF был достаточно мощным, чтобы поджечь топливную таблетку.
Гэллоуэй и Валис считают, что более мощные лазеры позволят построить работающую реакцию термоядерного синтеза, которая сможет поставлять электроэнергию в электросеть. Для этого они основали компанию Xcimer в Денвере.
NIF пришлось обойтись лазером, который мог вырабатывать два мегаджоуля энергии. Гэллоуэй и Валис планируют поэкспериментировать с лазерами, которые могут вырабатывать до 20 мегаджоулей энергии.
«Мы считаем, что 10–12 [мегаджоулей] — это наилучший вариант для коммерческой электростанции», — говорит Гэллоуэй.
Такой лазерный луч ударит по топливной капсуле мощным ударом. Это было бы похоже на то, как если бы энергия 40-тонного сочлененного грузовика, движущегося со скоростью 60 миль в час, была сфокусирована на капсуле размером в сантиметр на несколько миллиардных долей секунды.
Более мощные лазеры позволят Xcimer использовать более крупные и простые топливные капсулы, чем NIF, которому было сложно их усовершенствовать.
Xcimer присоединяется к десяткам других организаций по всему миру, пытающихся построить работающий термоядерный реактор.
Существует два основных подхода. Разбивание топливной таблетки лазерами относится к категории инерционного термоядерного синтеза.
Другой способ, известный как термоядерный синтез с магнитным удержанием, использует мощные магниты для улавливания горящего облака атомной плазмы.
Оба подхода имеют сложные инженерные проблемы, которые необходимо преодолеть.
В частности, как извлечь тепло, выделяющееся во время термоядерного синтеза, чтобы можно было сделать с ним что-то полезное, например, привести в действие турбину для производства электроэнергии?
«Полагаю, мой скептицизм заключается в том, что я еще даже не видел убедительной концептуальной схемы того, как управлять процессом извлечения энергии, поддерживая при этом реакцию термоядерного синтеза», — говорит профессор Ян Лоу из Университета Гриффита в Австралии.
Он посвятил свою долгую карьеру исследованиям и политике в области энергетики. Хотя профессор Лоу поддерживает развитие технологии термоядерного синтеза, он просто утверждает, что работающий термоядерный реактор не появится достаточно быстро, чтобы помочь снизить выбросы CO2 и справиться с изменением климата.
«Я обеспокоен тем, что даже самый оптимистичный взгляд заключается в том, что нам повезет, если к 2050 году у нас появятся коммерческие термоядерные реакторы. И задолго до этого нам нужно будет декарбонизировать энергоснабжение, если мы не собираемся расплавить планету», — говорит он.
Другая проблема заключается в том, что реакция термоядерного синтеза производит частицы высокой энергии, которые разрушают сталь или любой другой материал, из которого изготовлена активная зона реактора.
Те, кто работает в термоядерной отрасли, не отрицают инженерных проблем, но считают, что их можно преодолеть.
Xcimer планирует использовать «водопад» расплавленной соли, протекающий вокруг реакции термоядерного синтеза, для поглощения тепла.
Основатели уверены, что смогут запускать лазеры и заменять топливные капсулы (по одной каждые две секунды), поддерживая при этом поток.
Поток расплавленной соли также будет достаточно густым, чтобы поглощать частицы высокой энергии, которые потенциально могут повредить реактор.
«У нас есть только два относительно небольших лазера, которые попадают с каждой стороны [топливной таблетки]. Поэтому вам нужен только зазор в потоке, достаточно большой для этих лучей, и вам не придется выключать и включать весь поток», — говорит Вали.
Но как быстро они смогут заставить такую систему работать?
Xcimer планирует экспериментировать с лазерами в течение двух лет, прежде чем построить целевую камеру, в которой они смогут нацеливаться на топливные таблетки.
Последним этапом станет работающий реактор, который, как они надеются, будет подключен к электросети в середине 2030-х годов.
Для финансирования первой фазы своей работы Xcimer привлекла 100 млн долларов (77 млн фунтов стерлингов). Деньги пойдут на строительство объекта в Денвере и прототипа лазерной системы.
Для строительства работающего реактора понадобятся еще сотни миллионов долларов.
Но для основателей Xcimer и других стартапов в области термоядерного синтеза перспектива дешевой электроэнергии без выбросов углерода непреодолима.
«Знаете, это изменит траекторию возможного прогресса человечества», — говорит Валис.