Известен е един анекдот: ядреният синтез ще стане след двадесет години. Винаги ще бъде след двадесет години. Тази шега, вече не смешна, се разрази от оптимизма на учените, които през 50-те години на миналия век (и през всяко следващо десетилетие) вярват, че ядреният синтез е само на 20 години. Сега този анекдот е взет сериозно от стартиращ от MIT (Масачузетския технологичен институт), много уважавана и известна институция: Commonwealth Fusion Technologies. Стартъпът обещава да пусне работещ реактор за ядрен синтез след 15 години. Обещава евтина, чиста и неограничена енергия, която ще реши всички кризисни горива и климатичните промени. Така казват: „потенциално неизчерпаем и без въглерод източник на енергия“.
Единствен проблем: това сме чували много пъти преди. Какво е различното този път?
Друго известно клише се отнася до енергията на синтеза. Идеята е проста: слагате слънцето в бутилка. Остава само да се изгради бутилка. Енергията на синтеза захранва звездите, но тя изисква невероятно горещи и плътни условия, за да може плазмата да работи.
Огромно количество енергия може да се освободи, когато две леки ядра се слят заедно: деутериево-тритийният синтез, който се провежда като част от експеримента ITER, излъчва 17,6 MeV на реакция, милион пъти повече енергия на молекула, отколкото получавате от експлозията на TNT. Но за да освободите тази енергия, трябва да преодолеете мощното електростатично отблъскване между ядрата, които и двете са положително заредени. Силното взаимодействие на къси разстояния води до сливане, което освобождава цялата тази енергия, но ядрата трябва да се доближават много на фемтометри. При звездите това се случва само по себе си поради колосалния гравитационен натиск върху материала, но на Земята това е по-трудно.
Първо трябва да опитате да намерите материали, които ще оцелеят след излагане на температури от стотици милиони градуси по Целзий.
Плазмата се състои от заредени частици; материята и електроните се отмиват. Може да се задържи на място чрез магнитно поле, което сгъва плазмата в кръг. Манипулациите с магнитното поле също дават възможност за компресиране на тази плазма. През 50-те и 60-те години на миналия век се появява цяло поколение устройства с екзотични имена: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, предназначени за това. Но плазмата, която се опитваха да задържат, беше нестабилна. Самата плазма генерира електромагнитни полета, тя може да бъде описана чрез много сложна теория на магнитохидродинамиката. Леките отклонения или дефекти на плазмената повърхност бързо излязоха от контрол. Накратко, устройствата не работеха по предназначение.
Съветският съюз разработи устройство на токамак, което предлагаше значително подобрени характеристики. Едновременно с това е изобретен лазер, който позволява нов тип синтез - синтез с инерционно затваряне.
В този случай вече не е необходимо задържането на плазма в магнитни полета, необходимо е да се компресира чрез експлозия с помощта на лазери за кратко време. Но експериментите с инерционното задържане също страдат от нестабилност. Те работят от 70-те години на миналия век и може един ден да си проправят път, но най-голямата досега - Националната лаборатория по запалване в Ливърмор, Калифорния - никога не е достигнала точка на безпроблемност, при която да се произвежда повече енергия, отколкото да се изразходва.
Промоционално видео:
Голяма част от надеждата е на ITER, най-голямото в света синтезирано магнитно затворено токамак, което все още е в процес на изграждане.
Разработчиците на проекта се надяват да запалят плазмата в рамките на 20 минути, за да генерират 500 MW мощност с номинален вход 50 MW. Пълните експерименти с синтез са планирани за 2035 г., но проблемите с международното сътрудничество между САЩ, СССР (тогава все още), Япония и Европа доведоха до дълги забавяния и разтягане на бюджета. Проектът закъснява с 12 години и струва 13 милиарда долара. Това не е рядкост при проекти, които изискват изграждане на огромни инсталации.
Според плана на ITER, първият термоядрен термоядрен реактор, който ще работи като електроцентрала, запалващ и поддържащ синтез, DEMO, трябва да влезе в експлоатация през 2040 или дори 2050 година. С други думи, ядреният синтез … ще има след двадесет години. Има тенденция за решаване на проблеми с нестабилността чрез изграждане на все повече съоръжения. ITER ще бъде по-голям от JET, а DEMO ще бъде по-голям от ITER.
През годините много екипи оспорват международното сътрудничество с по-малки дизайни. Въпросът не е бързината, а практичността. Ако наистина са необходими милиарди долари и десетки години за изграждането на термоядрен реактор, изобщо ще си струва ли? Кой ще плаща за строителството? Може би до момента, когато се изгради работещ токамак, комбинацията от слънчеви панели и нови батерии ще ни осигури енергия, която ще бъде по-евтина от тази, направена на токамака. Някои проекти - дори прословутият „студен синтез“- се оказаха неверни или не работеха.
Други заслужават повече внимание. Стартъпи с нови конструкции на термоядрен реактор - или в някои случаи преработени версии на по-стари опити.
Три Алфа очаква да се сблъскат облаци от плазма в структура, напомняща Големия адронен колайдер, и след това да задържа синтезиращата плазма в магнитно поле, достатъчно дълго, за да разруши равномерно и да генерира енергия. Те успяха да постигнат необходимите температури и задържане на плазма за няколко милисекунди, а също така събраха над 500 милиона долара рисков капитал.
Lockheed Martin Skunk Works, известен със своите тайни проекти, направи плясък през 2013 г., като обяви, че работи върху компактен 100 MW термоядрен реактор с размер на реактивен двигател. Тогава те заявиха, че прототипът ще бъде готов след пет години. Разбира се, те не разкриха подробности за дизайна. През 2016 г. бе потвърдено, че проектът получава финансиране, но мнозина вече са загубили вяра и са спечелили скептицизъм.
И на фона на целия този позор, учените от MIT избухнаха на ринга. Боб Мамгаард, главен изпълнителен директор на Commonwealth Fusion Energy, каза: „Ние сме ангажирани да получим работна станция навреме за борба с изменението на климата. Смятаме, че науката, бързината и мащабирането на проекта ще отнеме петнадесет години."
Новият проект на MIT се придържа към дизайна на токамака, както го правеше в миналото. Предполага се, че устройството SPARC произвежда 100 MW енергия в импулси от 10 секунди. Вече е било възможно да се получи енергия от импулси, но точката на безпроблемност е това, което наистина привлича учените.
Специален сос в този случай са новите високотемпературни свръхпроводими магнити, направени от итрий-бариев-меден оксид. Като се има предвид, че HTSM може да създава по-мощни магнитни полета при същата температура като конвенционалните магнити, може да бъде възможно компресиране на плазма с по-ниска входна мощност, по-ниско магнитно устройство и постигане на условия за синтез в устройство, което е 65 пъти по-малко от ITER. Това е планът, така или иначе. Те се надяват да създадат свръхпроводящи магнити през следващите три години.
Учените са оптимистични: „Стратегията ни е да използваме консервативна физика, основана на десетилетия работа в MIT и другаде“, казва Мартин Гринуалд, асоцииран директор на Центъра за плазмени науки и синтези в MIT. "Ако SPARC постигне очакваното представяне, инстинктът ми диктува, че той може да бъде мащабиран до реална електроцентрала."
Има много други проекти и стартъпи, които по подобен начин обещават да заобиколят всички видове токамаци и международни бюджети за сътрудничество. Трудно е да се каже дали някой от тях ще намери тайната съставка за синтеза, или дали ITER с тежестта си в научната общност и подкрепата на страните ще спечели. Все още е трудно да се каже кога и дали сливането ще стане най-добрият източник на енергия. Синтезът е труден. Ето как показва историята.
Иля Кел