Національна лабораторія відкриває ядерний синтез — справжній прорив, закон про новинку чи обидва?

NЯдерний термоядерний синтез вже давно є Святим Граалем справді чистої енергії. Розбиття атомів водню обіцяє безмежну електроенергію з нульовими викидами вуглецю, мінімумом радіоактивних відходів і нульовою ймовірністю катастрофічного розплавлення. Але протягом півстоліття вчені з термоядерного синтезу були обмежені потужністю своїх лазерів і силою своїх магнітних полів — ніколи раніше не з’ясували, як отримати більше енергії від розбиття атома, ніж вони вкладають. Досі.

Сьогодні вчені в Національний фонд запалювання в Національна лабораторія Лоуренса Лівермора (LLNL) у Каліфорнії розкажуть, що на початку грудня їм вперше вдалося досягти приросту енергії більше 1, тобто більше енергії було виділено в результаті реакцій всередині їх дейтерієво-тритієвої паливної капсули (2,000 мегаджоулів). ніж містилося в 192 лазерів що вони підірвали його.

Це велика справа, яку варто відсвяткувати, але дещо передбачувана, — каже Дебра Каллахан, фізик плазми, яка нещодавно залишила команду синтезу LLNL, щоб стати науковим директором при запуску Сфокусована енергія, яка вже працює над комерціалізацією підходу.

Каллахан знав, що LLNL досягне чистого приросту енергії після того, як минулого року вони досягли 72% енергії, яку споживає лазер. «Для мене це не сюрприз. Враховуючи шлях результатів, які ми бачили, це мало статися», — каже вона. Їм просто потрібна була трохи більша потужність лазера. Отже, як це працює? Уявіть собі маленький порожнистий циліндр із золота, який поміщається у вашій долоні. Це називається hohlraum. Всередині холраума знаходиться крихітна паливна капсула, всередині якої знаходяться атоми дейтерію і тритію.

Вони використовують золото, оскільки воно утримує рентгенівські промені, які утворюються, коли вони підривають обидва кінці хохларума 173 найпотужнішими лазерами у світі. Каллахан каже: «Це схоже на рентгенівську піч», яка стискає паливо настільки, що воно вибухає та запалює синтез між атомами в центрі капсули. Потім термоядерний синтез поширюється хвилею від центру, випромінюючи неймовірне тепло. Усе це відбувається за мільярдну частку секунди.

Чому Каллахан покинув LLNL, коли вони були на порозі успіху? Тому що, каже вона, National Ignition Facility — це не термоядерна машина. Хольраум чудово підходить для демонстрації запалювання, але він не обов’язково достатньо ефективний для розробки безперервного імпульсного термоядерного синтезу, оскільки так багато залишкової лазерної енергії втрачається при нагріванні золота, а не водневого палива. Тож у Focused Energy (за підтримки Лабораторія Prime Movers та Нові спеціалісти підприємства) їхній план полягає в тому, щоб відмовитися від hohlraum і замість цього використовувати підхід «прямого приводу» — підриваючи лазери безпосередньо на паливну капсулу (див. схему).

Вони ще не продемонстрували, що це працює, але Каллахан упевнений, що за пару років їхній пілотний проект досягне 10-кратного приросту енергії. Після цього буде друга установка, яка досягне 30-кратного приросту енергії, а потім те, що наприкінці 2030-х років стане їхнім першим комерційним генератором, сподіваємось, досягне 100-кратного приросту енергії та вибухне 10 паливних капсул щосекунди.

Але тут був особливий виклик. При швидкості 10 капсул на секунду їх машина використовувала б майже 900,000 XNUMX капсул на день. Це не те, що закидати вугілля в піч; кожну капсулу потрібно було б виготовити за строгими стандартами та вкинути в машину в ідеальний час.

***

Це реально? Деякі конкуренти Fusion так не думають. General Fusion – це компанія з термоядерного синтезу, розташована у Ванкувері, Канада, яка вчора оголосила про свою власну віху. Його підхід називається термоядерним синтезом намагніченої мішені. Він включає в себе машину, де вони впорскують кульку водневої плазми в машину та використовують потужні магніти, щоб утримувати її під час стиснення механічними поршнями, а не лазерами. Генеральний директор Грег Твінні очікує, що пілотний завод General Fusion, який будує у Великобританії, продемонструє термоядерний синтез у 2027 році, а комерційний дизайн буде готовий на початку 2030-х років. «Коли ми бачимо такі новини, ми не дивуємося», — каже він. Але підхід LLNL не можна екстраполювати на діючу термоядерну установку, якою є General Fusion (за підтримки 300 мільйонів доларів Джеффа Безоса, ShopifyМАГАЗИН
Генеральний директор Тобіас Лутке та Темасек, серед інших) почали робити це з самого початку. «Усе, що ми робимо, зосереджено на комерційній електростанції», — каже він. «Якщо це працює в науковому експерименті, але не є комерційним, ми в цьому не зацікавлені».

Новини LLNL викликали подібну відповідь від генерального директора Девіда Кіртлі стартапу Fusion із Сіетла Геліон, підтриманий 600 мільйонами доларів технологічних магнатів Пітера Тіля, Сема Альтмана, Дастіна Московіца, Рейда Хоффмана та Джеффа Сколла. «Ми в захваті від того, що вони досягли своїх наукових віх для своєї машини», — каже Кіртлі. Але він не відчуває загрози з боку «дослідницького пристрою, не призначеного для виробництва електрики». Навпаки, робота термоядерної машини Геліона довжиною 60 футів включає введення плазмових кульок на кожному кінці, розбиваючи їх разом у реакції на 100 мільйонів градусів, керованій інтенсивними магнітними полями. У новій системі Геліона енергія, що вивільняється в реакціях термоядерного синтезу, безперервно виштовхує його магнітне поле стримування, яке штовхає назад, спричиняючи коливання, «як поршень», каже Кертлі, що генерує електричний струм, який Геліон вловлює безпосередньо з реактора. (Щоб дізнатися більше, читайте далі Закон індукції Фарадея.)

Helion будує свій 7-й прототип і проектує свій 8-й, який, як сподівається Кіртлі, стане першим комерційним термоядерним генератором — можливо, підключеним до електромережі до кінця цього десятиліття, якщо все піде добре. Він каже, що федеральні ядерні регулятори, схоже, мають намір підпорядкувати свою машину тим же правилам, що й прискорювачі частинок і машини для обробки зображень, які використовуються в лікарнях.

І є багато інших компаній, які дотримуються найбільш усталеного підходу до синтезу — the токамак Концепція, згідно з якою кульки плазми вводять у камеру реактора у формі порожнистого бублика, що контролюється потужними магнітними полями. Співдружність Fusion, допоміжний продукт Массачусетського технологічного інституту, прагне вдосконалити токамак, використовуючи надпровідні матеріали з надвисокою температурою, які, на думку генерального директора Боб Мумгаард, дозволять їм мати робочий термоядерний пристрій до кінця десятиліття. Те саме стосується General Atomics із Сан-Дієго (найвідоміший за винахід дрона Predator), яка десятиліттями експлуатує токамак для Міністерства енергетики та розробляє нову машину. GA також побудувала, можливо, найпотужніший у світі магніт, який називається центральним соленоїдом, для найбільшого у світі проекту термоядерного синтезу, 30 мільярдів доларів ITER будується у Франції. Якщо інші стартапи з термоядерного синтезу досягнуть свого, ITER застаріє ще до того, як його завершать десь у наступному десятилітті. Роблячи ставки, GA (належить мільярдеру Нілу Блу) співпрацює з Національною лабораторією Savannah River у виробництві паливних гранул для лазерних термоядерних машин, таких як LLNR і Focused Energy.

З ким би ви не спілкувалися в галузі термоядерного синтезу, вони однаково критикують давно існуючі ядерні реактори поділу. Реакції поділу (під час яких великі атоми збагаченого урану розщеплюються) утворюють радіоактивні відходи, включаючи плутоній і небезпечні актиноїди, які можна використовувати як зброю. На відміну від термоядерного синтезу, який важко розпочати й легко зупинити, реакції поділу легко розпочати й важко зупинити, що створює ризик катастрофічного розплавлення. Новіші дизайни, такі як Westinghouse AP1000 Реактор поділу, який будується як у США, так і в Китаї, оснащений пасивними заходами безпеки та практично стійкий до плавлення.

***

Деякі атомні підприємці вважають, що поділу достатньо. Брет Кугельмас, засновник і генеральний директор Остання енергія, п’ять років тому вирішив розробити найефективніший і найекономніший у світі ядерний реактор. Перш ніж зупинитися на своєму підході, Кугельмас, якому зараз 36 років, опитав сотні експертів ядерної галузі (і перевів переговори на свій Подкаст Titans of Nuclear), щоб зібрати колективну мудрість галузі. Хоча він вірить у довгострокове майбутнє термоядерного синтезу, Кугельмас вирішив, що найкращий вибір у світі для переходу від викопного палива полягає у створенні модульних реакторів ділення найпростішим, найдешевшим і найбезпечнішим способом. На заводі поблизу Х’юстона Last Energy зараз виробляє свої перші невеликі модульні реактори з водою під тиском, у яких використовуються готові компоненти, отримані через існуючі ядерні ланцюги постачання, з технологією, яка вдосконалювалася протягом десятиліть і використовується в інших сферах. понад 300 реакторів у всьому світі.

Last Energy уже продала 10 своїх 20-мегаватних установок клієнту в Польщі, ще дві – Румунії та декілька – Британії. Кугельмас каже, що його інтелектуальна власність полягає не в перевірених компонентах, а в тому, як поєднати їх усі разом. Наразі він зібрав 24 мільйони доларів під керівництвом Гігафонд, і очікує, що перші реактори в Польщі запрацюють у 2025 році. Для фінансування машин Last Energy укладає довгострокові угоди про купівлю електроенергії, обіцяючи клієнтам десятиліття ядерної енергетики з нульовим викидом вуглецю за цінами, нижчими від ринкових. «Ми змогли зайняти бажану нішу, на яку ніхто не прагнув», — каже Кугельмасс. «Ми заховали всю операцію в чорний ящик».

Якою б привабливою не була обіцянка термоядерного синтезу, якщо Kugelmass доб'ється конкурентних реалій усталеного, надійного поділу, все ж може відкинути свого нового сучасного родича на смітник героїчних технічних провалів — пам’ятаєте Betamax, Google Glass і New Coke?

БІЛЬШЕ ВІД ФОРБІВЯдерний синтез вступає в нову епоху, підживлений мільярдами доларівBy Крістофер ГельманБІЛЬШЕ ВІД ФОРБІВНова атомна ядра: як Unicorn з термоядерної енергії вартістю 600 мільйонів доларів планує перемогти сонячнуBy Крістофер ГельманБІЛЬШЕ ВІД ФОРБІВТихі мільярдери стоять за американським дроном Predator, який вбив іранця СулейманіBy Деніз Чам