Ни для кого не секрет, что в каком бы году, начиная с 50-х, ни спроси у физиков-ядерщиков "когда будет действующий энергетический термоядерный реактор", ответом будет "лет через 30". Постоянная Капицы))

Добро пожаловать в город Синтеза (прим. наподобие "город Мечты"), США. В Эверетте, штат Вашингтон,  в котором уверяют, что ядерный синтез будет уже даже не через 10 лет, а раньше -  хотя рентабельности придется еще добиться.

Будущее безуглеродной энергетики пахнет терияки и звучит как низколетящий Боинг 737. Сонный торговый центр рядом с обширным кампусом Boeing в Эверетте, штат Вашингтон, — это  место, где можно было бы ожидать технологии аэрокосмические, а не те, что позволят использовать мощь  солнца, освободить человечество от тисков ископаемого топлива и открыть рынок стоимостью около 40 триллионов долларов США .

Тем не менее здесь, в затерянном офисном парке поблизости, стартап Zap Energy испытывает прототип реактора, который уже производит высокоэнергетические нейтроны в результате ядерного синтеза — хотя пока недостаточно для позитивного энергетического баланса.

По словам Дерека Сазерленда , старшего научного сотрудника Zap, это непривлекательное место не случайно . «Если присмотреться, то создание термоядерной системы не так уж отличается от создания самолета», — сказал он Spectrum во время визита в июне. «Это требует небольшого переоснащения и переподготовки, но  можно перенять многое из "самолетных" навыков».

Zap — не единственная термоядерная компания, "ловящая рыбу" в кадровом резерве авиации. Менее чем в двух милях отсюда у Helion Energy есть собственный объект, приобретенный у подрядчика Boeing, и в нем размещается собственный действующий прототип термоядерного реактора, частично построенный ветеранами аэрокосмической отрасли. Два стартапа представляют собой уникальную концентрацию опыта и финансирования в области термоядерного синтеза и олицетворяют новую уверенность в том, что термоядерная энергия теперь является решаемой инженерной задачей, а не вечно неуловимой научной загадкой.

Zap Energy уже провела десятки тысяч термоядерных импульсных испытаний на своем первом прототипе реактора. МАРК ХАРРИС

Прототип Zap Fuze-Q находится в комнате с кондиционером, без запахов и при работе издает едва слышный щелчок. С тех пор как прошлым летом устройство размером с офисный стол стало активным, в нем были проведены тысячи термоядерных реакций, каждая из которых генерировала множество данных, поскольку Zap постепенно наращивал их до температуры, плотности плазмы и времени реакции, необходимых для выработки бo'льшего количества энергии, чем она потребляет . Весь процесс синтеза так же "драматичен", как щелкнуть выключателем, и вскоре после одной из таких операций Сазерленд подводит нас прямо к маленькому реактору.

Это не какая-то уменьшенная экспериментальная игрушка. Коммерческий термоядерный реактор Zap, предназначенный для надежной выработки электроэнергии, достаточной для 30 000 домов — днем ​​и ночью, круглый год — будет точно такого же размера, как и прототип, с добавлением жидкометаллического «одеяла», теплообменников и паровых котлов и турбины, чтобы превратить энергию разлетающихся в процессе нейтронов в электричество. Активная зона реактора будет короче, чем  Mini Cooper.

Если это не соответствует вашему мысленному представлению о термоядерной энергии, вы, вероятно, представляете мегапроект ИТЭР размером с городской квартал, который в настоящее время формируется на юге Франции. К тому времени, когда этот давно начатый и финансируемый рядом государств реактор заработает, возможно, не раньше 2029 года, он будет иметь высоту 30 метров и весить более 18 000 автомобилей Mini Cooper. Это также обойдется Китаю, Европейскому Союзу, Соединенным Штатам и другим партнерам в более чем 22 миллиарда долларов США .

«Двумя основными факторами стоимости являются сложность и размер», — говорит Сазерленд. «Zap превосходно справляется с обеими из них, насколько это возможно, потому что в системе нет криогеники, сверхпроводящих катушек, дополнительного нагрева и магнитов».

Zap Energy разрабатывает подход к синтезу, называемый Z-пинчем, стабилизированным сдвиговым потоком, который вызывает реакции синтеза небольшими всплесками, а не непрерывным потоком. ЗАП ЭНЕРГИЯ

Zap и Гелион возглавляют борьбу за то, что часто называют «альтернативным синтезом» — веру в то, что гигантские системы не нужны и не желательны в поисках практической термоядерной энергии. Чтобы понять почему, полезно быстро освежить в памяти ядерную физику.

Слияние ионов некоторых легких элементов в газовой плазме может высвободить огромное количество энергии, если — и это большое «если» — вы сможете преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание. Это означает увеличение кинетической энергии ионов до тех пор, пока они не станут двигаться достаточно быстро (т. е. не станут достаточно горячими), чтобы столкнуться и слиться. Реактор ИТЭР представляет собой токамак традиционной конструкции , предназначенный для зажигания горячей плазмы, в десять раз более горячей, чем Солнце, в гигантском полом торе шириной 20 метров. Чем больше тороид, тем больше энергии вырабатывается; тем и обьясняется гигантский размер ИТЭР.

Но чем быстрее и горячее ионы, тем труднее их удержать. Zap сравнивает стабилизацию плазмы с удерживанием желе с помощью резиновых лент, а для поддержания реакции синтеза в ИТЭР потребуется огромная батарея сверхпроводящих магнитов с криогенным охлаждением.

Zap и Гелион делают ставку на то, что вместо того, чтобы пытаться достичь непрерывной реакции синтеза, будет легче создать и использовать серию коротких импульсы активного синтеза. Импульсы Zap начинаются с выброса плазмы дейтерия (изотопа водорода) на одном конце метровой вакуумной трубки, в центре которой находится электрод. Плазма ускоряется вдоль по трубке, пока не достигнет сужающегося конца электрода, после чего магнитные силы сжимают ее в плотный столб, в котором разные слои текут с разной скоростью. Этот сдвинутый поток позволяет сохранить стабильность плазмы и генерирует нейтроны высокой энергии до тех пор, пока плазменный сгусток не разрушится. На данный момент разрушение происходит примерно через десять микросекунд. В коммерческом аппарате должно хватить времени реакции синтеза ближе к сотне микросекунд, а топливо будет включать короткоживущий, дорогой и труднодоступный изотоп водорода под названием тритий .

«Между Fuze-Q и экспериментальной установкой будет еще несколько устройств», — говорит Сазерленд. «Мы думаем, что от пяти до десяти лет — это реально. Но мы также думаем, что, возможно, публика не поверит, если мы пообещаем  электростанцию через пять лет».

Реактор-прототип Helion требует четырех отдельных стадий для синтеза, который в конечном итоге приводит к производству электроэнергии за счет индуцированных изменений тока. ГЕЛИОН ЭНЕРДЖИ

Недалеко от Эверетта компания Helion сделала еще один шаг вперед, просто пообещав пилотный реактор. Она уже продала Microsoft 50 мегаватт электроэнергии с поставкой в ​​2028 году. Эта уверенность отражена в современном, надежно охраняемом кампусе Helion, где расположены три склада в виде пещеры и вспомогательная площадка, заполненная землеройными машинами. Многие из 160 сотрудников Helion работают на самом большом складе площадью 150 000 квадратных футов, где в настоящее время собираются компоненты для седьмого и последнего прототипа Polaris.

Знакомство начинается с конденсаторной «кухни» Helion, так называемой для различных процессов, связанных с покрытием, тестированием и сваркой тысяч маслонаполненных конденсаторов, которые понадобятся Polaris. Огромные батареи конденсаторов - единственный способ быстро доставить мощные импульсы энергии, необходимые для запуска термоядерных реакций Zap и Гелиона. Конденсаторная батарея Zap будет хранить 1,5 мегаджоуля энергии — около трети энергии, высвобождаемой из килограмма тротила. Helion будет хранить ошеломляющие 50 МДж, для чего потребуется 150 транспортных контейнеров, полных конденсаторов, синхронизированных с полупроводниковыми переключателями для разрядки менее чем за миллисекунду.

Техник по термоядерному синтезу сваривает конденсатор собственного производства Helion для реактора Polaris. Для последнего прототипа потребуются тысячи готовых конденсаторов, подобных этому. СЛЕВА: ГЕЛИОН ЭНЕРДЖИ; СПРАВА: МАРК ХАРРИС

После завершения реактор Гелиона будет больше, чем у Zap, около двух метров в высоту и 12 метров в длину. Первоначальный импульс приводит в действие серию электромагнитов на обоих концах "Полярной звезды", которые формируют и ускоряют облака плазмы к их общему центру. Именно в самом узком месте реактора, под действием сильнейшего магнитного поля, на короткое время происходит синтез. Как и в конструкции Zap, коммерческий реактор Helion должен пульсировать примерно раз в секунду и генерировать 50 МВт. Но есть некоторые большие различия.

Во-первых, Helion будет сталкивать дейтерий с гелием-3 /прим. привет, Луна!/, сверхредким и чрезвычайно дорогим изотопом гелия, в реакции, которая производит относительно мало нейтронов. Это не проблема для Гелиона, потому что ему не нужны нейтроны для нагрева воды, а вместо этого он производит электричество непосредственно в результате реакции синтеза. В Polaris каждый термоядерный импульс должен вызывать расширение плазмы, увеличивая ее магнитный поток и индуцируя электрический ток в магнитных катушках, который в конечном итоге течет обратно к конденсаторам.

« Эксперимент National Ignition Facility, проведенный в прошлом году, впервые доказал правильность ключевой идеи при "воспламенении" плазмы», — говорит Дэвид Киртли , основатель и генеральный директор Helion. «Но в процессе у них терялось 99,9 процента входной энергии. Мы доказали, что наша система может возвращать 95 процентов, поэтому мы теряем только около 5 процентов энергии, которую мы вкладываем в реакцию. Это означает, что нам нужно гораздо меньше слияний, чтобы получить чистую прибыль».

Относительно небольшое число стартапов в области термоядерного синтеза планируют использовать в качестве топлива гелий-3, который настолько дефицитен, что некоторые эксперты даже предлагали добывать его на Луне . Polaris, однако, должна быть в состоянии производить свой собственный гелий-3 из дейтерия, и Helion утверждает, что она уже произвела (хотя и не выделила) небольшое количество.

Рабочие строят батареи конденсаторов в Helion Energy. Реактору-прототипу стартапа потребуется достаточное количество конденсаторов для хранения 50 мегаджоулей энергии. ГЕЛИОН ЭНЕРДЖИ

Киртли планирует собрать Polaris к январю 2024 года, имея всего 100 конденсаторов и одну из катушек формирующего магнита. Затем Helion будет постепенно увеличивать мощность и давление в течение года. «Если все масштабирование выдержит и все будет работать так, как мы ожидаем, мы сможем восстановить достаточно электромагнитной энергии из системы термоядерного синтеза, чтобы перезарядить эти банки плюс еще немного», — говорит он. «И это немного больше — чистое электричество».

Но даже Polaris вряд ли будет производить какую-либо оставшуюся энергию, если учесть потребности в энергии систем охлаждения и коммутации. Это ляжет на преемника Polaris, пилотного термоядерного реактора, предназначенного для выполнения энергетического контракта Microsoft где-то в 2028 году. пока не определено, скорее всего, оно останется в штате.

«Штат Вашингтон, в частности, очень дружелюбно относился к термоядерному синтезу, — говорит Киртли. «У вас есть Вашингтонский университет, который занимается термоядерным синтезом с 1970-х годов, у вас есть промышленный опыт и огромная аэрокосмическая промышленность, и на правительственном уровне они очень внимательно относятся к новым технологиям».

Это важно, потому что исследования в области термоядерного синтеза не несут рисков как у цепных реакций и с образуют гораздо меньше  радиоактивных отходов, поэтому проводятся в соответствии с действующими правилами отдельных штатов, а не федеральной комиссией по ядерному регулированию .

«Мы находимся в периоде перехода от науки к технике, но у нас  по прежнему в штате специалисты по физике плазмы, и они будут нужны в течение достаточно долгого времени», — говорит Сазерленд из Zap. «Мы пытаемся обезуглерожить энергетическую базу всей планеты. Если Zap сработает, он изменит мир».