Категорія: Інновації
Дата: 08 січня 2022 07:00

Створити штучне сонце. Чому Білл Ґейтс і Джеф Безос повірили в ядерний синтез – джерело енергії з нульовими викидами

Крістофер Хелман

Forbes

У Ченду китайські дослідники створили цей токамак, який назвали «Штучне сонце». Фото Getty Images

Зібравши понад $3 млрд у 2021-му від таких людей як Білл Ґейтс і Джеф Безос, розробники технології ядерного синтезу наполягають, що це джерело енергії з нульовими вуглецевими викидами може стати реальністю впродовж десятиліття

Немає сумнівів у тому, що ядерний синтез може сягати великих масштабів – зірки на небі це доводять. Протягом 70 років фізики мріють «законсервувати» енергію зірок у формі термоядерних реакторів, які живитимуть електромережу за допомогою нескінченних і «чистих» реакцій, що дають змогу зіркам сяяти.

Вже не одне десятиліття ми чуємо про те, що технологія, яку охрестили Святим Ґраалем, ось-ось стане реальністю, але прихильники ядерного синтезу відмовляються опускати руки. І у них є на те причина.

Ядерний синтез (поєднання атомів водню і гелію) обіцяє безмежну електроенергію без вуглецевих викидів, ризиків перегрівання реактора і фактично без радіоактивних відходів, що асоціюються зі сучасними АЕС, які працюють за рахунок поділу ядер (атоми урану діляться на менші елементи).

Ця мрія надихнула Аджая Рояна, співзасновника Mithril Capital (у партнерстві із мільярдером Пітером Тілєм), у 2013-му вперше вкласти $2 млн в Helion Energy (Редмонд, Вашингтон), щоб та зібрала прототип термоядерного реактора. З того часу Mithril продовжує інвестувати у Helion.

Так, наприклад, інвестиційна фірма взяла участь в останньому раунді інвестицій, під час якого Helion вдалося залучити $500 млн (за оцінки вартості $3 млрд), а також потенційно ще $1,7 млрд, якщо сьомий прототип компанії працюватиме як треба. Цей раунд очолив Сем Альтман з Y Combinator.

Рік 2021-й для технології ядерного синтезу був дуже успішним як у питанні інвестицій, так і у прогнозах, адже розробникам вдалося залучити понад $3 млрд для фінансування наступного покоління реакторів. Деякі з них мають потенціал комерційного використання вже продовж пʼяти років. Роян радий, що ядерний синтез привертає все більше уваги.

«Звісно, 2021-й, може, й став, згідно з аналітичними даними Google, поворотним моментом для ядерного синтезу, але справжній поворотний момент для цієї технології відбувся десять років тому, коли силову електроніку припинили обмежувати».

Гендиректор Девід Кіртлі пояснює, що початкова дослідницька робота, на якій ґрунтується Helion, була виконана у федеральних лабораторіях, і саме з них вийшла компанія Helion у 2013-му. Звільнившись від федеральної дослідницької бюрократії, Helion з того часу один за одним створює нові прототипи. «Менталітет стартапу – це не просто хороша якість, це необхідна умова. І саме на цьому ми зосередилися від самого початку», – каже Кіртлі.

У 2020-му Helion завершила свій шостий прототип реактора, який назвала Trenta. Наразі компанія будує сьомий, Polaris, паралельно створюючи восьмий, Antares, який, за планами Кіртлі, повинен стати першим термоядерним реактором, який продукуватиме більше енергії, ніж витрачає. Helion також вдається скористатися близьким розташуванням до концентрації талантів.

Компанія створює Polaris у Еверетті, Вашингтон, біля одного з найбільших заводів Boeing, і це дає їм змогу легко знайти інженерів-контрактників і конструкторів. Кіртлі каже, що ранки вони проводять за вдосконаленням і оновленням систем і конденсаторів. «Щодня о третій годині пополудні ми починаємо синтез».

Щоб зрозуміти підхід Helion, спершу уявіть відштовхування магнітів, яке трапляється, коли ви намагаєтеся наблизити їхні однакові полюси. Цей принцип дає змогу таким технологіям, як відомі японські швидкісні поїзди, що використовують магнітне відштовхування, ширяти у повітрі.

Дослідники ядерного синтезу десятиліттями намагалися створити найсильніші у світі електромагніти, за допомогою яких вони б розробили реактори із таким потужними магнітними полями, щоб ті могли утримати і стиснути потік позитивно заряджених протонів у формі такої гарячої плазми, що ті синтезуються у гелій.

У новітній системі Helion енергія, що виробляється через термоядерні реакції, постійно наштовхується на магнітне поле, яке відштовхує її. Це веде до коливань, які генерують електричний потік, – його і збирає Helion напряму з реактора. (Для більш детальної інформації читайте про закон електромагнітної індукції Фарадея.)

Роян з Mithril каже, що, напевно, найбільше в методі прямої генерації електрики Helion вабить його простота. Інші термоядерні реактори намагаються згенерувати тепло, щоб довести воду до кипіння і завдяки цьому приводити в дію парові двигуни, які і дають електроенергію, – як на традиційних АЕС.

«Ми можемо цього досягти без парових двигунів або градирні. Ми прибираємо електростанцію з рівняння».

Кіртлі розуміє скептицизм, що оточує ядерний синтез, особливо його проєкти, що обіцяють швидкі результати. Свою карʼєру він розпочав у сфері ядерного синтезу, натхненний науковцями національних лабораторій у 60-х, які далеко просунулися у створенні магнітного поля для стримування плазми (змагаючись із російськими науковцями у створенні реактора у формі пончика, який називається токамак) навіть до винайдення транзисторів.

Але Кіртлі втратив віру у цей підхід після того, як зрозумів, що він не може розвинутися достатньо швидко, щоб стати комерційним рішенням. Тому він подався у розробку рушійної установки для космічних апаратів, яка використовує струмені плазми, що контролюються електромагнітами. Він повернувся до свого першого наукового інтересу у 2008-му, аби допомогти із комерціалізацією технології Helion.

У майбутньому він уявляє виробництво термоядерних генераторів. Система на 50 мегаватт із трьох частин, кожна з яких розміром із вантажний контейнер, зможе забезпечувати електроенергією 40 000 будинків. «За десять років ми точно будемо продавати електрику у великих масштабах».

Це робить Helion конкурентом бостонської компанії Commonwealth Fusion Systems, яка вийшла з МІТ і зібрала $1,8 млрд від інвесторів, таких як Білл Ґейтс і Джордж Сорос. Її гендиректор Боб Мумгаард каже, що у них буде робочий реактор за шість років. Його оптимізм ґрунтується на успішному випробуванні компанією нових електромагнітів, які містять надпровідники, зроблені із рідкісноземельного оксиду барію-міді.

Мумгаард розповідає, що ці надпотужні магніти дадуть змогу Commonwealth вдосконалити їхній дещо традиційний підхід до створення термоядерного реактора токамаку. Мумгаард називає його «великою магнітною пляшкою», в якій потужні магнітні поля контролюють плазмові кулі температурою у мільйони градусів – «зірковий матеріал».

У світі приблизно 150 токамаків; найбільшій наразі будують у Франції у межах міжнародного проєкту ITER, і на нього виділили $30 млрд. Двадцятитонна машинерія, площею з баскетбольну арену, має бути готова до 2035-го.

Але Мумгаард має намір разом із Commonwealth Fusion зробити так, щоб проєкт ITER став застарілим ще до кінця будівництва. Перевага його технології в тому, що вони застосовують надпровідники «високих температур», зроблені із рідкісноземельного оксиду барію-міді (ReBCO).

Надпровідники проводять електричний потік фактично без втрат (набагато ефективніше, ніж, наприклад, мідь). І вони є ключем до створення потужних електромагнітів.

У Commonwealth визначили, що створення магнітів зі спеціальною стрічкою (як та, що у старих відеокасетах), яку виробляють зі спеціального оксиду барію-міді, робить магнітні поля значно потужнішими, ніж ті, які очікують отримати в проєкті ITER, та ще й у масштабі 1:20.

Commonwealth планує отримати магніти вагою 15 т, на кожному з яких буде 300 км тонкої стрічки ReBCO, із магнітною індукцією 20 тесла (для порівняння, апарат МРТ має 1,5 тесла), водночас головні магніти в ITER (називаються соленоїди) будуть важити приблизно 400 т, а потужність полів буде більшою за 12 тесла.

«Це відкриває шлях для апарату термоядерних реакцій», – каже Мумгаард. Commonwealth випробувала магніти минулого літа і проголосила їх «доказом» того, що наукові розрахунки ядерного синтезу фактично завершені і тепер залишається лише збудувати реактор.

«Ми добре розуміємо цю тему і вважаємо, що нам це вдасться за три роки, – запевняє Мумгаард. – До 2030-го електромережі на термоядерних реакторах стануть реальністю».

Commonwealth готується збудувати свій реактор на 47 акрах у Массачусетсі і вже працює над виготовленням тисяч кілометрів стрічки ReBCO. Чи може обмежена доступність рідкісноземельних елементів негативно вплинути на створення їхнього реактора? Ні, запевняє Мумгаард. «На станції із термоядерним реактором буде менше рідкісноземельних елементів, ніж у вітровій турбіні. Термоядерний реактор не залежить від ресурсів, які треба викопати чи викачати. Вся справа у технології».

Місця вистачить і не на один різновид термоядерного реактора. Уваги також заслуговує і компанія General Fusion, що розташувалася у Канаді і заручилася підтримкою Джеффа Безоса, зібравши $130 млн минулого року.

Серед інших відомих гравців-мільярдерів термоядерного поля Ніл і Лінден Блу, які володіють компанією General Atomics (Сан-Дієго), що десятиліттями проводила дослідження токамаку від імені Міністерства енергетики, а минулого року зробила електромагнітну основу токамаку ITER – тисячотонний центральний соленоїд.

А ще є TAE Energy з Каліфорнії, яка останні десять років провела експериментів на $1 млрд і залучила $130 млн під час пандемії.

Термоядерна технологія зародилася у лабораторіях на урядовому фінансуванні, але розквіту вона досягне завдяки приватним інвестиціям.

Легендарний інвестор у сферу технологій Стів Джурветсон, який вперше виписав чек Commonwealth Fusion на дослідження ядерного синтезу 25 років тому, в захваті від того, що ця давня мрія скоро може стати реальністю. «Скептиків ціла купа, аж поки реактор не буде готовий. Потім вони ж скажуть, що потенціал проєкту був очевидним».

Роян з Mithril вже думає про те, яким буде світ, коли термоядерний реактор стане реальністю. «Подумайте про можливість опріснення солоної води і виробництво добрив. Це докорінно змінює водну економіку, а отже, і економіку сільського господарства». Все це – частина шляху людства, каже він, на якому воно «продовжує доводити, що Мальтус був ідіотом».

Матеріали по темі