Глибоко під невазьким пустелею у 1980-х роках США проводили секретні дослідження ядерної зброї.
Серед експериментів була спроба з’ясувати, чи може ядерне злиття, реакція, яка живить сонце, бути запаленою на Землі в контрольованому середовищі.
Експерименти були засекреченні, але серед фізиків було широко відомо, що результати були обнадійливими.
Ця інформація зацікавила двох молодих аспірантів, які працювали в Лос-Аламоській національній лабораторії наприкінці 2000-х років, Коннера Геллоуея та Олександра Валиса.
Лабораторія Лос-Аламоса була заснована у 1943 році як таємний об’єкт для розробки перших ядерних озброєнь. Сьогодні це науково-дослідна та розвивальна установа уряду США неподалік Санта-Фе, Нью-Мексико.
“Коли Алекс і я дізналися про ці тести в Лос-Аламосі, наша реакція була: ‘вау, інерційне злиття вже спрацювало!’ Лабораторні пелети були запалені, деталі були засекречені, але достатньо було зроблено публічних заяв, щоб знати, що запалення було досягнуто,” – говорить пан Геллоуей.
Ядерне злиття – це процес злиття ядер водню, що виробляє величезні кількості енергії. Реакція створює гелій, а не довговічні радіоактивні відходи, які залишаються після процесу поділу, використовуваного в існуючих ядерних електростанціях.
Якщо злиття може бути використане на практиці, воно обіцяє отримання безлічі електрики, що виробляється без викиду CO2.
Ці тести в 1980-х призвели до створення Національної установи запалення (NIF) у Каліфорнії, проекту, щоб перевірити, чи можуть ядерні паливні пелети бути запалені за допомогою потужного лазера.
Після більше ніж десятиліття роботи, наприкінці 2022 року дослідники в NIF зробили прорив. Вчені провели перший контрольований експеримент з злиття, щоб виробити більше енергії з реакції, ніж було надано лазерами, які її запалили.
Поки фізики з усього світу захоплювалися цим проривом, виявилося, що вченим в NIF знадобилося набагато більше часу, ніж очікувалося.
“Вони страждали від нестачі енергії,” – говорить пан Геллоуей.
Він не має на увазі, що їм потрібні були інші перекуси, натомість лазер NIF лише злегка був достатньо потужним, щоб запалити паливну пелету.
Пан Геллоуей та пан Валис вважають, що більш потужні лазери зроблять можливим створення працюючої реакції злиття, яка зможе постачати електрику в енергетичну мережу. Для цього вони заснували компанію Xcimer, що базується у Денвері.
NIF мусила обмежитися лазером, що може видавати дві мегаджулі енергії. Пан Геллоуей та пан Валис планують експериментувати з лазерами, які можуть забезпечувати до 20 мегаджулів енергії.
“Ми вважаємо, що 10-12 [меґаджулів] – це ідеальна зона для комерційної електростанції,” – говорить пан Геллоуей.
Такий лазерний промінь вдарить по паливній капсулі з потужним ударом. Це буде, як якщо б взяти енергію 40-тонного великовантажного автомобіля, що рухається зі швидкістю 60 миль на годину, і зосередити її на капсулі розміру сантиметра на кілька мільярдних часток секунди.
Використання більш потужних лазерів дозволить Xcimer використовувати більші й простіші паливні капсули, ніж NIF, яка мала складнощі в їх вдосконаленні.
Xcimer приєднується до десятків інших організацій по всьому світу, які намагаються побудувати працюючий реактор злиття.
Існує два основних підходи. Розбивання паливної пелети лазерами відноситься до категорії інерційного злиття.
Інший спосіб, відомий як магнітне злиття, використовує потужні магніти для захоплення палаючого хмари атомів, званого плазмою.
Обидва підходи мають приголомшливі інженерні виклики на своєму шляху.
Зокрема, як витягти тепло, що генерується під час злиття, щоб зробити з цим корисне, наприклад, запустити турбіну для виробництва електрики?
“Я вважаю, що моє скептицизм полягає в тому, що я ще не бачив переконливих концептуальних схем, як управляти процесом вилучення енергії, зберігаючи при цьому злиття,” – говорить професор Іан Лоу з Університету Гріффіт в Австралії.
Він довго працював у сфері досліджень та політики енергетики. Хоча професор Лоу підтримує розвиток технології злиття, він лише стверджує, що працюючий реактор злиття не з’явиться досить швидко, щоб допомогти знизити викиди CO2 та побороти зміну клімату.
“Моє хвилювання полягає в тому, що навіть у найоптимістичнішому сценарії ми будемо щасливі, якщо матимемо комерційні реактори злиття до 2050 року. І задовго до цього ми повинні будемо декарбонізувати енергопостачання, якщо ми не хочемо знищити планету,” – каже він.
Ще однією проблемою є те, що реакція злиття виробляє високої енергії частки, які можуть деградувати сталь або будь-який інший матеріал, що облицьовує реактор.
Ті, хто працює в галузі злиття, не заперечують інженерні виклики, але вважають, що їх можна подолати.
Xcimer планує використовувати “водоспад” з розплавленої солі, що тече навколо реакції злиття, для поглинання тепла.
Засновники впевнені, що можуть запускати лазери та замінювати паливні капсули (одну кожні дві секунди), одночасно підтримуючи потік.
Потік розплавленої солі також буде досить густим, щоб поглинути частки високої енергії, які потенційно можуть пошкодити реактор.
“У нас є лише два відносно невеликих лазерних променів, що надходять з обох сторін [паливної пелети]. Тож вам потрібно лише вільне місце в потоці, достатнє для цих променів, тому вам не потрібно вимикати весь потік,” – говорить пан Валис.
Але наскільки швидко вони зможуть запустити таку систему?
Xcimer планує експериментувати з лазерами протягом двох років, а після цього будувати цільову камеру, де вони зможуть націлить паливні пелети.
Останнім етапом буде працюючий реактор, який, як вони сподіваються, буде підключено до електричної мережі в середині 2030-х років.
Щоб фінансувати перший етап своєї роботи, Xcimer зібрала 100 мільйонів доларів (77 мільйонів фунтів стерлінгів). Ці кошти будуть використані для побудови об’єкта в Денвері та прототипу лазерної системи.
Сотні мільйонів доларів будуть потрібні для створення працюючого реактора.
Але для засновників Xcimer та інших стартапів у галузі злиття перспектива дешевої, безвуглецевої електрики є непереборною.
“Ви знаєте, це змінить траєкторію того, що можливо для прогресу людства,” – говорить пан Валис.
