Как частные стартапы пытаются приручить термоядерную энергию
Недавно одна из очень скрытных компаний, Tri Alpha Energy, заявила о создании устройства, способного генерировать устойчивое облако плазмы с температурой около 10 миллионов градусов. Такая температура необходима для протекания термоядерной реакции, но, к сожалению, пока недостаточна. Узнав об этом, мы решили выяснить, какие еще небольшие частные компании участвуют в термоядерной гонке, и имеют ли они шансы обойти гигантов ITER и NIF.
Для начала надо разобраться с тем, что же такое «управляемый термоядерный синтез». Как и любой синтез, этот процесс предполагает смешивание двух или более компонентов для получения третьей. Например, в химии, чтобы получить воду нужно смешать кислород и водород, при этом выделяется очень много энергии — при довольно широком спектре условий этот процесс может закончиться взрывом. Но если управлять процессом горения водорода, то можно добиться устойчивого факела, непрерывно отдающего тепло.
Так и здесь, в термоядерном синтезе, происходит слияние атомных ядер. Для того, чтобы этот процесс произошел, нужно добиться нескольких важных условий. Первое — очистить атом от «кожуры», электронов и второе — добиться температур и плотности, при которых ядра могут сталкиваться между собой, невзирая на электростатическое отталкивание. При достижении этих требований может произойти запуск процесса слияния ядер, который как и реакция водорода с кислородом будет производить энергию — только в гораздо больших количествах.
Попробуем оценить температуры, при которых может происходить ядерный синтез. Рассмотрим простую систему, пусть сталкиваются ядра дейтерия и трития (изотопы водорода, у первого в ядре один протон и один нейтрон, у второго один протон и два нейтрона). Каждое из них несет положительный заряд, величиной в один заряд протона. Для того, чтобы слияние ядер произошло, необходимо сблизить их на расстояние порядка размеров ядра — в такой ситуации электростатическое отталкивание (одинаковые заряды отталкиваются) между ними окажется слабее, чем сильное взаимодействие, стремящееся к слиянию ядер.
Тогда для сближения двух частиц нам необходимо совершить работу против электрических сил — это энергия, которую можно рассчитать из формул школьной физики.
Подставим в формулу необходимые величины:
Заряд каждого из ядер q — 1,6×10-19 кулон.
Константа k — 9×109 фарадей на метр
Расстояние r, равное характерному размеру ядра — 10-14 метра (10 фемтометров)
В результате мы получаем величину энергии, примерно 2,3×10-14 джоулей. Эта энергия может быть взята из кинетической энергии ядер, связанной с их скоростями. Чем горячее плазма, в которой находятся ядра, тем она больше.
Eкин = 3⁄2kТ, где k — постоянная Больцмана, 1,38×10-23 джоулей на кельвин.
Сделав необходимые подстановки, мы получаем, что для того, чтобы термоядерный синтез мог начаться хотя бы для половины атомов плазмы, ее температура должна достичь примерно миллиарда кельвинов. На этом фоне достижение Tri Alpha Energy выглядит уже не таким серьезным. На самом деле, температура, необходимая для запуска такого термоядерного синтеза несколько меньше — примерно на порядок. Это связано с тем, что для запуска реакции достаточно, чтобы сравнительно небольшой процент частиц достиг требуемой энергии — меньше половины. Напомним, что в газах скорости частиц не равны между собой — какие-то из них могут иметь скорость больше средней, какие-то меньше.
Отметим еще один важный момент: термоядерный синтез на Солнце идет при температурах гораздо меньших, чем сотни миллионов градусов — так, температура ядра Солнца оценивается в 13,5 миллионов кельвинов. Но в звездах механизм протекания реакции несколько иной, в частности, в ней участвует туннелирование ядер через кулоновский барьер. К тому же, если в облаке плазмы энергия половины частиц была бы соответствующей энергии термоядерной реакции, то сам синтез произошел бы практически мгновенно.
В реакторах играют роль и другие параметры, связанные с состоянием вещества, в частности, время удержания плазмы и концентрация частиц в ней. Произведение этих величин, известное как критерий Лоусона, должно превышать определенное, довольно большое, критическое значение для поддержания реакции синтеза.
Из этих арифметических выкладок появляется элементарное следствие: одни из главных проблем термоядерного синтеза — разогрев вещества до таких высоких температур и удержание его. Атомы при этом полностью лишаются электронных оболочек и вещество переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц. Именно благодаря этому свойству физики научились удерживать ее в специальных устройствах — токамаках. Кстати, разработаны они были советскими физиками, Игорем Таммом и Андреем Сахаровым.
Токамаки похожи на огромные полые бублики, окруженные большим количеством электромагнитов. Каждый вносит свой вклад в разогрев и удержание плазмы — так, например, центральный соленоид (по сути, катушка индуктивности) выполняет функцию первичной обмотки трансформатора. Когда в нем возникает переменный ток, это, в свою очередь, вызывает ток в кольце плазмы — происходит нагрев за счет электрических потерь. Точно таким же способом, передавая переменный ток от одной катушки к другой с иным числом витков, в трансформаторах происходит повышение или понижение напряжения. Другие катушки — обмотка тороидальной вакуумной камеры токамака и внешняя обмотка (обхватывает камеру подобно велосипедной покрышке) необходимы для управления удерживающим магнитным полем.
По принципу токамака будет работать один из крупнейших проектов в области термоядерного синтеза — ИТЭР. В нем будет создаваться дейтерий-тритиевая плазма, запуск реакции в которой возможен при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. В реакции ядра дейтерия и трития сливаются вместе в альфа-частицу, выбрасывая при этом «лишний» нейтрон и выделяя около 17,6 мегаэлектронвольт энергии (примерно 2,8×10-12 джоулей). Эту величину можно сравнить с теплом от реакции горения водорода: при сгорании двух грамм газа выделится около 200-250 килоджоулей тепла. Тем же двум граммам прореагировавшего дейтерия будет соответствовать примерно 1 600 000 000 килоджоулей тепла. Такое количество энергии потребляет весь мир чуть меньше, чем за секунду.
Однако токамаки отражают лишь подход, в котором генерация энергии предполагается относительно постоянной. Существует другой крупный проект, NIF (Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций), в котором реализуется импульсный подход к термоядерному синтезу. Разогрев дейтериево-тритиевой смеси здесь происходит благодаря 192 лазерам суммарной мощностью в 0,5 петаватт. Лазеры испускают короткий импульс, продолжительностью всего в пикосекунду, который направляется внутрь золотого хольраума — полого цилиндра, содержащего внутри ампулу со смесью. В результате происходит резкое испарение и разогрев плазмы, за время которого успевает пройти реакция. Кстати, в прошлом году NIF удалось получить от сжигания топлива больше энергии, чем было затрачено на разогрев. Отметим, что финансирование проекта идет из бюджета США — он не является международным.
Однако вернемся к энерговыделению в термоядерных реакциях. Нетрудно посчитать, что той самой энергии от двух грамм дейтерия (0,4 гигаватт час) вполне хватит на то, чтобы обеспечить на сутки электроэнергией небольшой город. Возможно именно это является причиной, почему частные компании и заинтересовались решением такой неочевидной инженерной задачи.
Стартап, с которого мы начнем обзор, — очень скрытная компания, у него нет даже собственного сайта. Однако, научная группа, разрабатывающая термоядерный реактор, с недавних пор начала публиковать результаты своих исследований в научных журналах. В отличие от токамака, конструкция реактора, предложенная Tri Alpha Energy, вытянутая, состоящая из двух источников плазмы и специальных устройств для инжекции частиц.
Облака плазмы, похожие на колечки дыма, сталкиваются внутри реактора, на скоростях в миллионы километров в час, самостоятельно формируя при этом вытянутую тороидальную структуру, напоминающую сигару. Кроме внешних электромагнитов для обеспечения устойчивости плазменной структуры применяются еще и источники нейтральных частиц, впрыскивающие их по касательной к облаку. Как утверждал автор технологии, частицы двигаются вокруг тора по широким орбитам, стабилизируя его.
Устройство работает на плазме из водорода и бора-11, что сильно отличает этот проект от большинства существующих. В отличии от реакции между дейтерием и тритием, слияние протона и бора, а также последующие распады нестабильных частиц не приводят к выбросу нейтронов. Это крайне важно, поскольку нейтроны способны вызывать наведенную радиацию у материалов стенок реактора и в целом быстрее приводить его в негодность. Минусом выбора такого топлива является высокая температура зажигания — оценка, аналогичная приведенной выше, дает температуру в пять миллиардов кельвинов, авторы говорят о трех миллиардах как о своей цели.
На сегодняшней день установка умеет создавать устойчивые до 5 миллисекунд облака температурой 10 миллионов кельвинов. В дальнейшем инженеры планируют усовершенствовать это достижение на порядок, доведя ее до отметки 100 миллионов кельвинов после реконструкции в следующем году.
Компания возникла в 1997 году, в основе ее технологии лежит работа Нормана Ростокера. За первые четыре года существования, после публикации Ростокера, разработчики не раскрывали подробностей устройства реактора, среди публикаций удалось найти лишь ответы на критику. В 2002 году в журнале Physics of Plasmas вышла первая статья из цикла, описывающего равновесие во вращающемся плазменном облаке. Авторами статьи выступают Норман Ростокер и Артан Керуши.
Среди инвесторов компании венчурный фонд Venrock Associates, а также банк Goldman Sachs. Предположительно, полный объем инвестиций превышает 140 миллионов долларов. Кстати, интересным является совет директоров этой компании. В него входят бывший астронавт Базз Олдрин, журналист Френк Браун и председатель правления УК РОСНАНО Анатолий Чубайс.
Прямым конкурентом Tri Alpha Energy является американский стартап Helion Energy, реализующий схожую технологию, но на смеси дейтерий - гелий-3. В устройстве, разрабатываемом компанией происходят аналогичные столкновения между облаками плазмы, однако в точке их соприкосновения на плазму оказывается дополнительное сжимающее воздействие с помощью мощных магнитов.
Компания достигла значительно больших успехов в разогреве плазмы — разработчики удержали плазму с температурой в 50 миллионов кельвинов в течение одной миллисекунды. Интересно отметить, что Helion Energy не ставит своей целью создать максимально крупную установку. Вместо этого инженеры делают ставку на мобильный реактор, который, по мысли инженеров, должен быть сравним с портовым контейнером. Планируемая мощность — 50 мегаватт.
Стартап получил финансирование от NASA, а также привлек около 1,5$ миллионов из частного сектора.
Канадская компания General Fusion решила подойти к вопросу сжатия и разогрева плазмы с другой, более «механистической» стороны. Реактор, создаваемый компанией, состоит из сферы, внутри которой непрерывно вращается несколько кубометров расплавленного свинца. Кроме того, к самой сфере подключены до сотни паровых молотов, которые синхронно ударяют по расплаву.
Во вращающемся свинце при этом находится небольшой желобок, куда вводится смесь дейтерия и трития, уже предварительно разогретая почти до двух миллионов кельвинов. В результате резкого сжатия происходит микровзрыв, выделяющий более 700 мегаджоулей тепла. Разработчики предполагают, что такие взрывы будут повторяться раз в две секунды.
В установке планируется достигать температуры свыше 6 миллионов кельвинов, запуску термоядерной реакции будет сопутствовать очень высокая плотность плазмы.
Компания финансируется венчурным фондом Chrysalix Energy, а также правительством Канады и Малайзии.
В гонку за осуществление управляемого термоядерного синтеза включилась и небезызвестная Lockheed Martin, занимающаяся разработками в области авиации, ракетостроения и получающая огромное количество заказов от министерства обороны США. Компания не раскрывает всех подробностей устройства реактора, однако известно, что он, так же как и устройство Helion Energy, будет достаточно компактным чтобы поместиться в грузовой контейнер.
По словам руководителя проекта, в реакторе используется техника удержания плазмы с помощью магнитного зеркала. Оно позволяет отражать заряженные частицы из областей сильных полей в области слабых. Облако плазмы при этом имеет форму тора.
Существующая тестовая установка имеет около двух метров в длину и одного метра в ширину. Она работает на дейтериево-тритиевой смеси. Компания надеется преуспеть в постройке реактора в ближайшие пять лет, ожидается, что его мощность составит около 100 мегаватт.
Последняя компания в нашем списке — Lawrenceville Plasma Physics, также располагающаяся в США. Любопытно отметить, что первым ее инвестором стала Лаборатория реактивного движения NASA, а часть денег компания собирала с помощью краудфандинга. Как и Tri Alpha Energy, LPP разрабатывает реактор, работающий на смеси бора-11 и водорода.
Авторы разработки пытаются добиться фокусировки плазмы с помощью двух цилиндрических электродов, находящихся один в другом. На эти электроды подается ток разрядки батареи конденсаторов, вызывая образование электрической дуги. Электрический ток превращает окружающий газ в плазму, внутри которой возникают отдельные нити, которые затем сливаются в одну в точке фокуса. В результате, по словам разработчиков, образуется плазмоид — сильно сжатая плазма, в которой может запуститься термоядерный синтез.
Эта технология подвергается критике среди научного сообщества, в частности, эксперт по физике плазмы, Майк Хопкинс, утверждает, что технология, показанная авторами ничем не отличается от существующих устройств для фокусировки плазмы, в которых термоядерных реакций не наблюдалось.
Критике подвергаются и другие проекты, например, устройство Lokheed. Одним из аргументов критиков является необходимость размещать сверхпроводящие магниты вблизи плазмы — очень ограниченный круг материалов способен выдержать нейтронную бомбардировку, вызываемую реакцией. Физики также указывают на отсутствие детальных чертежей планируемого реактора, поэтому сделать оценку его реалистичности довольно трудно.
Как и во всех областях знаний, в термоядерном синтезе есть свои «лжеученые», продвигающие не подкрепленные научными знаниями разработки. Известным примером является катализатор Росси, «позволяющий» получать энергию из холодного термоядерного синтеза, в котором взаимодействует протон и атом никеля, образуя атом меди. Такая реакция требует температур по меньшей мере в 20 миллиардов кельвинов (в этом легко убедиться, проведя расчет) — однако Андреа Росси утверждает, что его катализатор понижает температуру до тысячи кельвинов. До сих пор этот результат не был проверен независимой группой ученых, поэтому говорить об этом катализаторе как о реальном физическом явлении нельзя.
Вместе с тем идея катализа выглядит очень привлекательной: для химических реакций существует огромное количество веществ, способных ускорить их протекание. Так, например, соли лития катализируют горение сахара, а аммиак, в довольно широком диапазоне температур не взаимодействующий с кислородом, горит, будучи помещенным на раскаленную платиновую проволочку.
Ученым известен пример такого катализатора для термоядерных реакций — мюоны. Это элементарные частицы, являющиеся тяжелыми аналогами электронов. Они способны «склеивать» между собой ядра, понижая барьер электростатического отталкивания — с их участием термоядерному синтезу требуются гораздо меньшие температуры, порядка 30 миллионов кельвинов.
Мюон, как и химические катализаторы, способен после участия в одной реакции помочь протеканию следующей и так далее. Максимальное наблюдавшееся количество реакций, запущенных последовательно одним мюоном — около сотни. Однако в этом кроется главная проблема мюонного катализа — требуется гораздо больше энергии на создание одного мюона, чем выделяется в процессе ядерных реакций. Однако, если один мюон сможет запускать порядка 10 тысяч реакций, то этот барьер будет превзойден.
Существование стартапов, занимающихся управляемым ядерным синтезом позволяет одновременно тестировать большое количество подходов к этому процессу. Но, вместе с тем, финансирование частных проектов обычно не сопоставимо с финансированием крупных международных экспериментов. К примеру, бюджет ИТЭРа превышает 20 миллиардов долларов, а большинство стартапов обзора рассчитывают на инвестиции до 100-200 миллионов долларов.
Зато масштабы планов у частных компаний космические. Например, Tri Alpha Energy предполагает использовать свои реакторы в космических аппаратах для обеспечения тяги: альфа частицы, вылетающие из реактора несут большой импульс и могут послужить рабочим телом, аналогичным катионам инертных газов в ионных двигателях.
Владимир Королёв