Воссоздание в лаборатории ядерной реакции, приводящей в действие Солнце и другие звезды, которая называется ядерным синтезом, — подвиг, столь же сложный, как это звучит.
Fusion может производить огромное количество безуглеродной или чистой энергии. Таким образом, хотя ни один ученый еще не добился полного успеха в создании полезной энергии из термоядерного синтеза, несколько компаний работают над этим.
Машины, создаваемые учеными для этого, называются реакторами, они очень тяжелые, стоят десятки миллионов долларов и представляют собой кульминацию десятилетий научных исследований.
TAE Technologies со штаб-квартирой в Футхилл Ранч, Калифорния, является термоядерной компанией, использующей уникальный дизайн реактора, и недавно она достигла ключевой вехи в поисках энергии, пригодной для использования в термоядерном синтезе. TAE Technologies поделилась этим виртуальным туром по своей лаборатории, чтобы объяснить потенциал технологии термоядерного синтеза.
Как достичь 50 миллионов градусов по Цельсию
Чтобы воссоздать термоядерный синтез на Земле, сначала необходимо нагреть более легкий атом, такой как водород , до четвертого состояния материи — плазмы. (Первые три состояния — твердое тело, затем жидкость, затем газ.)
Для создания плазмы газ необходимо «перегреть», — говорит генеральный директор TAE Technologies Майкл Биндербауэр .
Затем перегретая плазма должна поддерживаться в течение достаточно длительного времени и в достаточно стабильном состоянии для высвобождения энергии.
В апреле компания TAE Technologies, основанная в 1998 году, объявила, что она способна производить стабильную плазму при температуре более 50 миллионов градусов Цельсия с помощью аппарата с полевой реверсивной конфигурацией (FRC). Машина получила прозвище Норман в честь покойного наставника Биндербауэра , Нормана Ростокера , «одного из полевых пап», — говорит он.
Хотя этот этап важен, это не самая высокая температура, создаваемая в термоядерной лаборатории. «Китайцы и корейцы достигли более 100 миллионов градусов на своих токамаках [термоядерных машинах] — это совершенно другой эксперимент», — говорит Эндрю Холланд , исполнительный директор Ассоциации производителей термоядерного синтеза.
На видео ниже показано формирование и поддержание плазмы внутри термоядерной машины TAE.
Термоядерный реактор другого типа
Как правило, машины — токамаки в форме пончика, о которых упоминала Голландия, используются для попытки термоядерного синтеза. Однако, по словам Биндербауэра, реактор TAE FRC дешевле в строительстве и ремонте, а его система менее сложна.
Установка FRC Norman компании TAE, которую можно увидеть на фотографиях и в видео ниже, обошлась в 150 миллионов долларов и была построена с середины 2016 до середины 2017 года.
Его длина — 80 футов, высота — 22 фута, а вес — 60 000 фунтов.
Машина работает, сначала создавая внутренний вакуум. Затем «мы вводим горстку частиц — примерно в миллион раз менее плотных, чем воздух, в котором мы находимся в комнате — поэтому количество частиц там крошечное», — сказал Биндербауэр CNBC Make It.
На каждом из концов машины газообразный водород нагревается, образуя плазму. Затем две плазмы сталкиваются в средней части машины. Смотрите это в видеоклипе, встроенном ниже.
Ускорители пучка частиц (на фотографиях ниже с желтыми концами) удерживают плазму на месте, так что возможен синтез.
TAE Technologies использует водородно-борное топливо, которое является «самым чистым, наиболее экологически чистым источником топлива на Земле, без вредных первичных побочных продуктов и достаточным естественным запасом, чтобы поддерживать планету практически на 100 000 лет», — говорит Биндербауэр. «Как вид, мы, скорее всего, вымерли бы по своей воле, прежде чем у нас закончится это топливо».
Но использование водорода и бора «требует гораздо более высоких температур для достижения синтеза, поэтому это намного сложнее», — говорит Холланд.
Достижение 50 миллионов градусов по Цельсию принесло TAE вливание в размере 280 миллионов долларов в апреле от инвесторов, включая Vulcan, Venrock, NEA, Wellcome Trust, Google и Управление инвестиций Кувейта, а также семейные офисы Аддисона Фишера, Арта Сэмберга и Чарльза. Schwab. В общей сложности TAE Technologies привлекла от инвесторов 880 миллионов долларов.
Но 50 миллионов градусов по Цельсию все еще недостаточно для создания того, что называется «чистой энергией». В современных технологиях термоядерный синтез узурпирует всю создаваемую им энергию для поддержания собственной реакции, не оставляя чистой энергии для питания других вещей.
Для достижения чистой энергии TAE будет использовать недавнее финансирование для строительства FRC следующего поколения под названием Copernicus, визуализация которого приведена ниже. Согласно апрельскому заявлению TAE, он «будет работать при температуре, превышающей 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы моделировать чистое производство энергии».
Дизайн Коперника, который внешне похож на Нормана, все еще дорабатывается.
Будущее фьюжн
«Наш план игры, который мы выполняем, состоит в том, чтобы запустить демонстрационную электростанцию к концу 20-х годов, чтобы затем перейти к коммерциализации», — говорит Биндербауэр.
Но одна из распространенных критических замечаний по поводу слияния состоит в том, что потребуется слишком много времени, чтобы понять, что это поможет в борьбе с изменением климата.
«Fusion обладает огромным потенциалом для того, чтобы внести свой вклад в будущее чистой энергии», — говорит Джонатан Кобб, старший аналитик Всемирной ядерной ассоциации . Но даже если чистая энергия будет достигнута в 2020-х годах, «широкомасштабное внедрение термоядерного синтеза в какой-то момент не состоится».
Если быть точным, по состоянию на 30 апреля есть шесть лет и восемь месяцев, пока количество углекислого газа, выброшенного в атмосферу, не вызовет глобальное потепление на планете, которое превысит 1,5 градуса Цельсия, что является предпочтительным пределом глобального потепления по сравнению с доиндустриальными уровнями, поскольку согласованы Парижским соглашением .
Биндербауэр соглашается, что время до того, как синтез можно будет использовать, «значительно». Но он считает, что синтез по-прежнему важен. «В течение следующих 25 лет мы собираемся удвоить спрос на электроэнергию в мире», — говорит он. «Итак, вопрос в том, как это будет получено?»
