Алтернативните технологии за ядрен синтез набират скорост
За да стигнат до една от най-тайните компании за ядрен синтез в света, посетителите трябва да се насочат на изток от Ървайн, Калифорния, докато не попаднат на голямата, необозначена централа на Tri Alpha Energy.
Толкова е затворено, че никой не може да влезе вътре, без да подпише споразумение за неразкриване. Resource ScientificAmerican успя да проведе задълбочено разследване. Tri Alpha защитава търговските си тайни толкова строго, че дори няма уебсайт. Но части от информация, които са внимателно филтрирани, разкриват, че компанията провежда един от най-големите експерименти, свързани с термоядрен синтез в САЩ. В нейния експеримент няма нищо традиционно. Вместо да използва токамак с форма на поничка, който доминира в изследователската област на термоядрената енергия повече от 40 години, Tri Alpha тества линеен реактор, който се предполага, че ще бъде по-малък, по-прост и по-евтин - и ще доведе до комерсиална термоядрена енергия само за десет години, за разлика от 30 и 50 години, често приписвани на токамаците.
Всичко това звучи изключително привлекателно в момент, когато световният лидер в ядрения синтез, гигантският токамак, наречен ITER, е затънал в забавяния и преразходи. Съоръжението, което се строи в Кадараш, Франция, се очаква да бъде първият термоядреен реактор, способен да генерира излишна енергия чрез постоянно изгаряне на плазмено гориво. Но изглежда, че ще струва 50 милиарда долара - близо 10 пъти повече от първоначалната оценка - и няма да започне до 2027 г., 11 години по-късно от планираното.
Тъй като ITER отнема лъвския дял от бюджета на страните, насочени към развитието на ядрен синтез, феновете на алтернативните подходи не виждат голяма подкрепа отправителства. Въпреки това нарастващото нетърпение към технологията на токамак стимулира екипа на Tri Alpha и много физици в САЩ и Канада да разработят алтернативи. През последното десетилетие и половина тези индивидуалисти създадоха най-малко дузина компании, които разработват алтернативни схеми за постигане на рентабилен ядрен синтез. Някои дори отчитат интересни резултати, да не говорим за привличане на значителни инвестиции. Самата Tri Alpha е събрала 150 милиона долара от гиганти като съоснователя на Microsoft Пол Алън и рисковия капитал Rusnano.
Този успех привлича все повече внимание към смелите им обещания. Tri Alpha "се изправи пред някои много трудни проблеми в началото на мащабирането до размера на реактор", казва Джефри Фройдберг, ядрен физик в Масачузетския технологичен институт. Например, една компания трябва да докаже, че може да достигне температурата от милиард келвина, необходима за изгаряне на екзотичното гориво, което иска да използва, както и да демонстрира начин за преобразуване на произведената енергия в електричество. Подобни въпроси се повдигат и от други стартиращи компании, казва Стивън Дийн, който ръководи Асоциацията за ядрен синтез.
„Мисля, че е справедливо да се каже, че никоя от групите все още не е достигнала точката, в която синтезът може да бъде демонстриран бързо и зрелищно“, казва той.
Може ли компанията за алтернативен синтез да удържи инерцията си и да оправдае оптимизма на своите основатели? Или просто ще се изпари, както толкова много мечти за синтез преди него?
следвай слънцето
По принцип изграждането на термоядрен реактор е просто въпрос на имитиране на слънцето. Вземете съответните изотопи на водород или други леки елементи, добавететоплина, за да избие електроните от ядрото и да образува йонизирана плазма, след това компресирайте тази плазма и й дайте малко време на ядрата да се слеят и да превърнат част от масата си в енергия. На практика обаче опитът да се имитира звезда води до ужасяващи инженерни проблеми: например гореща плазма, уловена в магнитно поле, има тенденция да се извива като ядосана змия и се опитва да избяга.
Изследователите на термоядрения синтез отдавна предпочитат токамаците като най-добрия начин за задържане на този плазмен звяр. Разработени от съветски физици през 50-те години на миналия век, реакторите направиха възможно достигането на плазмени плътности, температури и времена на задържане на плазмата много по-високи, отколкото във всяка друга машина преди тях. И тъй като физиците подобриха дизайна на токамаците, те подобриха начина, по който контролират високоенергийната плазма.
Но от самото начало много физици се чудеха дали токамаците могат да бъдат увеличени, за да достигнат комерсиална мощност. И този въпрос се оказа невероятно труден. Тороидалната камера трябва да бъде заобиколена от няколко реда електромагнитни намотки, които образуват магнитно поле, което ще ограничи плазмата. И още повече намотки трябва да преминат през отвора на "поничката", за да се изпрати мощен електрически ток през плазмата.
След това идва горивото, смес от водородни изотопи - деутерий и тритий. DT се счита за единственият разумен избор за енергиен реактор, защото се запалва при по-ниска температура от всяка друга комбинация - само 100 милиона келвина (почти същото по Целзий) - и произвежда повече енергия. Но 80% от тази енергия излиза от реакцията под формата на бързи неутрони, които сеят хаос по стените на енергийния реактор, правейки ги изключително радиоактивни в резултат. Да сеза генериране на електричество, неутронната енергия трябва да се използва за загряване на вода в конвенционална парна турбина - и този процес е само 30-40% ефективен.
Цената, сложността и бавният напредък също измъчват инерционния контролиран синтез, най-видимата алтернатива на токамаците с магнитно задържане. Този подход, при който замразените горивни пелети се взривяват с мощни лазерни лъчи, също получава известно правителствено финансиране. Но въпреки десетилетия усилия за инерционен синтез, инициативи като National Ignition Foundation в Националната лаборатория в Ливърмор все още се борят да изпълнят своите обещания за енергия от термоядрен синтез.
радикална ревизия
Имаше и загриженост относно работата по стеларатора: тороидално устройство, което опростява някои аспекти на токамака, но изисква още по-сложни магнити. Повечето от масовите физици на плазмата просто оставиха практическите въпроси на инженерството за по-късно, предполагайки, че с развитието на физиката на плазмата те също ще намерят решение. Най-разумните, които бяха в малцинството, стигнаха до извода, че е необходимо радикално решение: първо да се разработи конструиран правилен, но прост и евтин реактор, който всички енергийни компании биха искали да придобият, и след това да се опитаме да контролираме плазмата.
Един такъв нововъзникнал беше Норман Ростокър, физик от Калифорнийския университет, който съоснова Tri Alpha през 1998 г. на 72-годишна възраст. Заедно с колегите си той предложи да се откаже от горивото D-T в полза на бор-11, стабилен изотоп, съдържащ около 80% естествен бор. Запалването на такова гориво p-11B ще изисква температура от около един милиард келвина, почти 100 пъти по-висока от тази в ядрото на Слънцето. Енергията, която ще се появи в резултат на такъв синтез,ще бъде два пъти по-малко, отколкото при изгаряне на D-T. Но тази реакция на практика ще освободи от редица проблеми с неутроните: синтезът ще доведе до само три енергийни ядра на хелий, известни също като алфа частици. Те са заредени, така че могат да бъдат пренасочени от магнитни полета към „обратен циклотрон“, устройство, което преобразува енергията им в конвенционален електрически ток с почти 90 процента ефективност.
Изгарянето на плазма p-11B с температура от един милиард градуса в токамак е изключително труден въпрос, дори само защото за контролиране на такава плазма ще са необходими нереално големи магнитни полета. Така Ростокър и колегите му проектираха линейния реактор, който изглежда като два пистолета, насочени един към друг. Всяко оръдие ще изстрелва пръстени от плазма, наречени плазмоиди, които са изненадващо стабилни. Потокът от йони в плазмата ще генерира магнитно поле, което от своя страна ще задържи плазмата.
„Това е най-идеалният дизайн, който можете да си представите“, казва Алън Хофман, плазмен физик от Вашингтонския университет в Сиатъл.
За да запали реактора, всяко оръдие ще изстреля плазмоид в централна камера, където ще се слеят в голямо, свободно плаващо петно, което ще живее толкова дълго, колкото допълнителното гориво го поддържа. Алфа частиците, освободени по време на реакцията, ще бъдат изпратени обратно към пушките от друго магнитно поле и уловени от преобразуватели на енергия.
„Големите експерименти са били финансирани от десетилетия, така че има много малък шанс те да не оправдаят усилията“, казва Джон Слау, физик на плазмата във Вашингтонския университет. „Ако започнат да финансират всички тези алтернативи, несигурността ще се върне.“
Затова Ростокър и колегите му решихаВъзползвайте се от стабилна култура на стартиращи фирми в САЩ и финансиране на рисков капитал. Те създадоха компания, нарекоха я Tri Alpha след освобождаването на реакцията p-11B, след което събраха достатъчно инвестиции и наеха повече от 100 души.
Стивън Дийн подозира, че обяснението защо Tri Alpha работи в тайна може да обясни начина на мислене на стартиращия бизнес. Компания, финансирана с рисков капитал, трябва да развие своите идеи по начин, по който никой друг не знае за тях. Но през последните около пет години екипът започна да позволява на служителите си да споделят резултатите и да ги представят на конференции. С настоящата си експериментална машина, 10-метровото устройство C-2, Tri Alpha показа, че сблъскващи се плазмоиди се сливат според очакванията и плазмената топка живее 4 милисекунди – невероятно дълго време според стандартите на физиката на плазмата – докато се инжектират потоци гориво. Миналата година изследователят на Tri Alpha Houyang Guo обяви на плазмена конференция във Форт Уърт, Тексас, че времето за изгаряне е увеличено до 5 милисекунди. Сега компанията търси средства за изграждането на по-голяма машина.
„От научна гледна точка беше много успешно“, казва Хофман. „Но това не е p-11B.“
Досега Tri Alpha е работил само с деутерий и е далеч от достигане на екстремните условия, необходими за плазмата да изгори крайното си гориво.
В допълнение, Tri Alpha не е демонстрирал директно преобразуване на алфа частици в електричество.
„Не съм виждал никакви схеми, които да работят на практика“, казва Мартин Грийнуолд, физик от Масачузетския технологичен институт и бивш член на комитета за наблюдение на ядрения синтез. Вместо това Tri Alpha планира да пусне първия си реактор с повече оттрадиционна парна турбина.
Други предприемачи на синтез са изправени пред подобни предизвикателства, но това не ги спира. Слау е старши учен в Helion Energy в Редмънд, който разработва линеен реактор със сблъскващ лъч, който ще бъде достатъчно малък, за да бъде транспортиран с камион. Реакторът Helion ще изстреля постоянен поток от плазмоиди от всяка страна в камера, където горивото ще бъде магнитно компресирано, докато започне синтезът. В рамките на една секунда продуктите на синтеза ще изчезнат, когато пристигне нова двойка плазмоиди.
„Ние обичаме да сравняваме този процес с дизелов двигател“, казва старши разработчик Дейвид Киртли. „Впръсквате гориво, компресирате го с бутало, докато се запали без искра, и експлозията отблъсква буталото обратно.“
Helion демонстрира концепцията за D-D реактор с плазмоиди, които се задействат на всеки три минути и сега търси 15 милиона долара частно финансиране през следващите пет години, за да разработи пълномащабна машина, която ще използва D-T гориво, за да излезе на рентабилност и да генерира толкова енергия, колкото е необходима, за да продължи да работи. Компанията се надява нейният реактор в крайна сметка да достигне по-горещите условия, необходими за сливане на деутерий с хелий-3, друга комбинация, която произвежда само алфа частици и протони, без неутрони като странични продукти.
Къртли е оптимист по отношение на парите.
„Пазарът има огромна нужда от достъпна, безопасна и чиста енергия. Така че можем да видим голям тласък в частната инвестиционна общност, която иска да финансира алтернативни начини да го получи. И ако колекциятасредствата са успешни, планираме нашия пилотен реактор да започне да работи след шест години.“
Други алтернативни концепции се придържат към горивото D-T, но го ограничават по различни начини. В Бърнаби, Канада, изследователите на General Fusion са разработили реактор, в който плазмоиди от D-T се инжектират във въртящ се вихър от течно олово, което след това се пулверизира от гора от бутала. Ако това свиване се случи в рамките на няколко микросекунди, плазмата ще експлодира, създавайки условия за синтез. Едно предимство на този дизайн е, че течното олово не се влияе от неутронно бомбардиране, казва Мишел Лаберж, който основа General Fusion през 2002 г.
General Fusion демонстрира идеята си с малко устройство, използващо задвижвани от експлозиви бутала и събра около 50 милиона долара от рискови капиталисти и канадското правителство. Ако компанията може да събере още около 25 милиона, казва LaBerge, тя може да изгради по-плътна експлозивна система, която може да компресира плазмата до правилното ниво за термоядрен синтез - може би през следващите няколко години.
Въпреки този оптимизъм, Дийн смята, че ще отнеме поне десетилетие, може би повече, преди която и да е компания за алтернативен ядрен синтез да изгради работещ реактор. Има твърде много нови технологии, които трябва да бъдат демонстрирани.
„Мисля, че всички те са добре мотивирани и си заслужава подкрепата – но не мисля, че сме на ръба на пробив.“
Във всеки случай ITER в момента събира най-много пари и този процес не се вижда край. Понастоящем алтернативните системи вероятно ще трябва да търсят големи пари в частния сектор. И ще ги намерят. Въпреки всички технически пречки, инвеститоритеготови да поемат рискове.
„Хората започват да мислят, че може да има други начини да се направи това“, казва Слау. „Може би си струва да похарчите няколко милиона, за да разберете.“