Термоядерна енергетика має змінити світ: до чого тут Джефф Безос і майонез

На тлі російського вторгнення до України та енергетичної кризи світ поволі повертається до атомної енергетики – нові енергоблоки будуються зокрема в Європі та США. Однак є ще один спосіб отримання енергії, набагато екологічніший та потужніший, аніж традиційні АЕС – це термоядерна енергетика.

Єдина велика проблема термоядерної енергетики в тому, що досі відсутній реактор, який міг би виробляти комерційну електроенергію. До його запуску – ще десятки років. Але вчені та бізнес невпинно працюють над створенням такого реактора попри всі кризи.

Про успіхи та невдачі шляху до термоядерного синтезу – далі в матеріалі 24 Каналу.

Стартапи, Безос і держави: які є проєкти зі створення термоядерного реактора

Як і в інших областях, існують масштабні проєкти, що фінансуються державами, або ж це приватні стартапи. Серед великих – вже згаданий ITER, учасниками якого є Індія, ЄС, Китай, США, Японія та ще низка країн. А ще – оголошений британським урядом у 2022 році "Сферичний токамак для виробництва енергії" (STEP) у Вест-Бертоні в Ноттінгемширі. На цьому демонстраційному реакторі планують запустити вироблення електроенергії до 2040-х років – її постачатимуть у британську електромережу.

Водночас у Великій Британії діє кластер термоядерного синтезу Fusion Cluster у Калхемі, графство Оксфордшир. З моменту заснування у 2021 році кластер розширився із кількох учасників до понад 200.

Токамак / Візуалізація ITER

У Канаді компанія General Fusion Inc., що має серед спонсорів засновника Amazon Джеффа Безоса, залучила 20 мільйонів канадських доларів (14,6 мільйона доларів США) від двох канадських державних установ, повідомляв Bloomberg. Мета компанії – створити технологію для комерційного термоядерного реактора.

Канадські ядерні лабораторії та банк розвитку бізнесу Канади внесли по 10 мільйонів канадських доларів у раунд серії F компанії, що розташована в Британській Колумбії. В цілому General Fusion залучила понад 440 мільйонів канадських доларів, з яких близько 75% – від приватних спонсорів, зокрема від Безоса.

Де можна застосувати термоядерну реакцію

Окрім безпосередньо енергетики, термоядерна реакція є перспективною ще для декількох сфер:

• транспорт;
• медицина;
• промисловість;
• ядерні відходи.

У транспорті можна використовувати магнітогідродинамічні (МГД) приводи, над якими працюють ще з 1950-х років. У них електрично заряджену рідину використовують для руху транспортного засобу. Перевага цієї технології в тому, що вона не має тертя і рухомих частин, отже не зношується.

Особливо приваблива ця технологія для морського транспорту, оскільки морська вода є набагато кращим провідником за прісну. Оскільки МГД-приводи безшумні, вони мають значно знизити шумове забруднення, що негативно впливає на морське середовище. У 1990-х роках японська компанія Mitsubishi побудувала перший у світі прототип МГД-корабля – Yamato 1. На жаль, програму закрили, оскільки максимальна швидкість судна становила лише 15 км/год. Однак нові технології мають вирішити цю проблему.

Yamato 1 / Фото jpellgen, Flickr

Перші дослідники атомної галузі у 1930-х роках виявили, що елемент бор може реагувати з нейтронними частинками для розщеплення на літій і гелій. У 1936 році вчений Гордон Лочер з Інституту Франкліна у Пенсільванії виявив потенціал цієї реакції для знищення ракових клітин. Літій і гелій викидають енергію в діапазоні приблизно 5 – 9 мікрометрів, що є розміром типової ракової клітини. Цей викид енергії руйнує ракову клітину.

Задача сучасної технології – створити компактні прискорювачі частинок, які можна було б використовувати для генерації сильно сфокусованих пучків нейтронів та таким чином знищувати ракові клітини. У Великій Британії вже планують встановлення експериментальних апаратів від американської компанії TAE Technologies в університетських лікарнях Бірмінгема та лікарні Університетського коледжу Лондона.

Побічна технологія від термоядерної енергетики може згодитися й у будівництві. Одним зі способів запуску термоядерного синтезу є використання лазерів для стиснення та нагрівання водневого палива. На початку 2000-х років дослідники з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса в Каліфорнії, фізик Маркус Рот і його колеги, виявили, що направляючи лазери на тонку фольгу, частинки з фольги можна прискорити до величезних швидкостей.

Маркус Рот / Фото Мартіни Рот, університет Дармштадта

У 2021 році Рот заснував компанію Focused Energy у німецькому Дармштадті. Її мета – створення лазерної системи, здатної прискорювати пучок нейтронів із інтенсивністю, що в 100 разів перевищує наявні технології. Цей пучок можна створювати для отримання "рентгенівського" зображення всередині щільних матеріалів. Компанія веде переговори з будівельними підприємствами для використання технології для перевірки бетонних споруд та мостів на ознаки корозії.

Ще один проєкт Focused Energy Рота – контракт з урядом Німеччини на створення першого лазерного джерела нейтронів для дослідження контейнерів для ядерних відходів. Після закриття останньої АЕС у 2023 році Німеччина має вирішити проблему ядерних відходів, що накопичувалися десятиліттями. Система візуалізації від Focused Energy має допомогти визначати вміст діжок з відходами та їхній стан.

Я вірю, що зрештою термоядерний синтез змінить правила гри, подібно до парової машини. Ми зможемо зробити багато того у нашому суспільстві, що раніше було неможливим. І це почнеться з прибирання великої кількості безладу від промислової революції,
– наводить The Guardian слова Маркуса Рота.

До чого тут майонез

У серпні медіа поширили новину про те, як вчені використали майонез для дослідження термоядерної реакції. Автори цього експерименту – Аріндам Банерджі, професор машинобудування та механіки з коледжа Россіна університету Ліхай у Пеннсильванії, та його команда.

Варто пояснити, що термоядерний синтез – це процес, який запускає реакцію ядерного синтезу шляхом швидкого стиснення та нагрівання ємностей, наповнених паливом, ізотопами водню. Під впливом високих температур і тиску ці капсули плавляться і утворюють плазму, що може генерувати енергію.

У цих крайніх значеннях (температури) мовиться про мільйони градусів Кельвіна та гігапаскалі тиску, що є імітацією умов на Сонці. Одна з головних проблем, пов'язаних із цим процесом, полягає в тому, що стан плазми формує гідродинамічні нестабільності, які можуть зменшити вихід енергії,
– наводить Phys.org цитату вченого.

У своїй першій статті на цю тему ще в 2019 році Банерджі та його команда розглянули питання нестабільності, відоме як "нестабільність Релея-Тейлора". Вона виникає у матеріалах різної щільності.

"Ми використовуємо майонез, тому що він поводиться як тверда речовина, але коли піддається градієнтному тиску, то починає текти", – пояснює Банерджі.

Використання соусу також дозволяє відмовитися від умов високого тиску та температур.

Для експерименту команда Банерджі використовувала спеціально виготовлене унікальне обертове колесо для імітації потоку плазми. Як тільки прискорення досягнуло та перетнуло критичне значення, майонез почав текти. Один з висновків, які вчені отримали, це те, що майонез пройшов кілька фаз змін.

Як і у випадку зі звичайним розплавленим металом, якщо ви навантажите майонез, він почне деформуватися, але якщо ви знімете напругу, він повернеться до своєї початкової форми. Тож є еластична фаза, за якою слідує стабільна пластична фаза. Наступна фаза – коли він починає текти, і тут виникає нестабільність,
– каже Банерджі.

Розуміння цього переходу має допомогти вченим зрозуміти, коли може виникнути нестабільність. Тож можна навчитися контролювати стан плазми, щоб вона залишалася у стабільній пластичній фазі. Також дослід має допомогти створити дизайн капсул для палива таким чином, щоб вони ніколи не ставали нестабільними.

Однак важливе те, що зусилля команди Банерджі мають бути поєднані з результатами інших дослідників.

Ми – ще один гвинтик у цьому гігантському колесі вчених, і всі ми працюємо над тим, щоб ядерний синтез став дешевшим та доступнішим,
– зазначає вчений.

Об'єднавши зусилля, вчені з державних проєктів та стартапів можуть дати людству за кількадесят років невичерпне джерело енергії зірок.