На SE7ENе регулярно пишут про термоядерный синтез — ту самую энергию будущего, до которой «всего-то» осталось потерпеть лет 50. И практически всегда речь о каких-то эпохальных проектах, стоимостью не один миллиард долларов вроде того же «долгостроя» ИТЭР. Но есть и другие подходы.
Сегодня расскажем про современный стелларатор Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) — интересную альтернативу токамакам, разрабатываемую еще с 50-х годов XX века. Причем прототип установки под названием Muse проектируется намного более дешевым и компактным. А значит, по мнению команды из Принстона, это сделает технологию термоядерного синтеза более доступной, и в целом ускорит развитие технологии в целом. Может быть, мы дождемся прорыва на нашем веку.
Немного про термоядерный синтез и его важность
Ядерный синтез называют «святым Граалем» чистой энергии. Еще бы, ведь он избавил бы человечество от некоторых поистине глобальных проблем. Одна из главных — рост потребления электроэнергии в мире, причем сумасшедшими темпами. Ничего удивительного тут нет:
-
Количество компаний-разработчиков LLM-сервисов буквально зашкаливает. А для обучения их моделей и функционирования нужны огромные мощности. Например, SoftBank переделывает бывший завод Sharp в ЦОД для OpenAI мощностью 150 МВт за 676 млн долларов. И это — буквально капля в море.
-
Для работы майнинг-ферм нужны колоссальные электрические мощности, чтобы покрыть мировое потребление примерно в 150 ТВ*ч за год.
-
Все боятся парникового эффекта, и автомобильные компании все больше инвестируют в производство электромобилей, благо правительства предоставляет приятные преференции. Количество «чистых» транспортных средств на дорогах растет, и их нужно как-то заряжать. А для этого — наращивать производство электроэнергии за счёт не самых чистых источников — вроде старого доброго угля.
Техногиганты все это понимают. Поэтому Microsoft для своих ЦОД, обслуживающих ИИ-проекты, даже арендуют на 20 лет целый атомный реактор Three Mile Island в Пенсильвании мощностью 837 МВт.
И представьте, какие перспективы открыл бы термоядерный синтез — почти безграничный источник энергии без выбросов парниковых газов, который не несет серьезных рисков и не создает долгоживущих ядерных отходов, в отличие от традиционного ядерного деления. Поэтому работа над термоядерным реактором ведется уже не одно десятилетие, и десятки компаний и государств активно инвестируют в технологию миллиарды долларов. И это несмотря на то, что никакой конкретной пользы для человечества в виде полезной электроэнергии пока нет и в ближайшее время не ожидается.
О чём вообще речь: коротко о термоядерном синтезе
Есть два подхода для получения энергии на атомном уровне:
Подход 1. Использовать реакцию деления, когда более тяжёлые ядра распадаются на более лёгкие за счет поглощения внешних частиц. Например, ядро урана-235 поглощает нейтрон и делится на две части, при этом высвобождается нужная нам энергия. В свою очередь, части разделенного ядра урана тоже испускают нейтроны, заставляющие соседние ядра делиться.
Получается цепная реакция, которой управляют на современных АЭС с помощью управляющих стержней — они поглощают нейтроны и тем самым регулируют скорость деления. При этом мы сталкиваемся с радиоактивностью, проблемами утилизации ТВЭЛов, рисками получить неконтролируемую реакцию, и много чем еще.
Подход 2. Воссоздать реакции, которые происходят внутри звезд — в том числе и нашего Солнца. Суть проста: взять лёгкие атомные ядра (например, водорода) и заставить их столкнуться, чтобы получились более тяжёлые ядра. При этом высвобождается колоссальное количество энергии.
Но есть загвоздка. Ядра — это положительно заряженные частицы, и по законам электростатики они отталкиваются друг от друга. Это и называется кулоновским отталкиванием. Чтобы заставить их приблизиться и слиться, нужно преодолеть это отталкивание. А значит — разогнать частицы до таких скоростей, чтобы они «протаранили» друг друга. На практике — разогреть плазму до температур порядка 100 миллионов градусов Цельсия.
Тогда энергия теплового движения приведет к сближению ядер и преодолению силы кулоновского отталкивания. Произойдет тот самый термоядерный синтез, в ходе которого выделяется избыточная энергия.
В качестве топлива пока что речь идет о дейтерии и тритии — изотопах водорода с одним или двумя нейтронами в ядрах. Причина — их ядра легче всего преодолевают силы отталкивания. И соответственно, реакцию синтеза провести проще, чем с более тяжелыми ядрами.
Преимущества второго подхода очевидны:
-
Водород на Земле вряд ли закончится в ближайшее время;
-
Почти нет риска загрязнения — даже несмотря на то, что тритий радиоактивен;
-
При синтезе легких элементов получается элемент с массой меньше, чем суммарная масса соединившихся атомов. А разница в высвобожденной энергии сильного взаимодействия определяется согласно формуле E=mc2. И эффективность в плане выработки энергии на килограмм топлива в четыре раза выше, чем при делении ядер.
Проблема удержания плазмы: токамаки и стеллараторы
В процессе нагрева до 100 миллионов градусов электроны отрываются от атомных ядер. Образуется плазма — водоворот из положительно и отрицательно заряженных частиц. И главная проблема — эту нагретую массу надо удерживать в течение определенного времени, пока будет проходить реакция синтеза. Но никакое вещество на Земле не способно пережить прямой контакт с такими температурами. Поэтому просто «налить» в емкость не получится.
Сейчас есть два основных подхода: инерциальное и магнитное удержание.
Инерциальный подход. Управляемый термоядерный синтез осуществляется нагревом мощными лазерами или пучками высокоэнергетических частиц небольших мишеней — таблеток в несколько миллиграммов, содержащих дейтерий и тритий. Работа проходит в импульсном режиме, что приводит к серии своеобразных микровзрывов. Плотность и температура плазмы повышается до таких значений, что термоядерный синтез с выходом энергии успевает произойти. При этом из-за эффекта инерционного удержания плазма не успевает разлететься.
По задумке, нужно найти такую точку баланса, при которой выходная энергия превысит затраченную и будет соответствовать критерию Лоусона — и это может привести к установлению самоподдерживающегося режима работы. Идею инерциального термоядерного синтеза предложил Николай Басов еще в 1964 году, опубликовав работу в «Журнале экспериментальной и теоретический физики», а в 1968 году подтвердив метод экспериментально.
Сейчас подход с облучением лазерами реализован в установке National Ignition Facility (NIF). Для понимания: она состоит из 192 лазеров, обеспечивающих пиковую мощность импульса до 500 ТВт в течение нескольких наносекунд. За 10 нс они успевают нагреть вещество в центре таблетки до 100 миллионов градусов и повысить давление до 200 млрд атмосфер. Это порождает реакцию слияния ядер, длящуюся порядка десяти пикосекунд.
Магнитное удержание. Другой подход — подвесить плазму в воздухе, удерживая ее за счет электромагнитного поля, раз поток частиц имеют электрический заряд. Самым известным решением является токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), идея которого в 1950 году была предложена О. Лаврентьевым. А в 1951 году была доработана А. Сахаровым и И. Таммом.
Суть в том, что плазма движется по спирали вокруг силовых линий поля, словно внутри бублика, не контактируя со стенками, и при этом нагреваясь до требуемых температур под воздействием внутренних токов. Из токамака предварительно откачивается воздух, и заполняется смесью дейтерия и трития.
Токамаки сейчас — самая популярная технология в области исследования термоядерного синтеза. Всего насчитывается более 60 установок, в которых используются продвинутые технологии с охлаждением магнитов до сверхпроводящих температур, системами ориентации плазмы для компенсации потерь, и другими техническими решениями. Главный пример — уже упоминавшаяся установка ИТЭР
Другая альтернатива токамакам — стеллараторы («генераторы звезд»). Они имеют намного более сложную форму в виде восьмерки, и в процессе работы не только направляют плазму, но и закручивают ее. Это создает систему замкнутых, вложенных друг в друга магнитных поверхностей. Преимущество — можно более эффективно контролировать и удерживать частицы потока, снижая потери. Дополнительно задействуются только внешние катушки, без разогревающего тока внутри (так называемого «плазменного шнура»).
Первый стелларатор был создан сотрудником PPPL Лайманом Спитцером в 1951 году. И Энрико Ферми заметил, что такая конструкция более перспективная, чем простой тороид, поскольку меньше заряженных частиц будет дрейфовать наружу. Затраты энергии на направление поля без разогрева будут меньше, при этом ему не надо работать в импульсном режиме, как токамаку.
Однако конструктивно создать стелларатор оказалось намного сложнее, чем токамак. А несовершенство технологий (особенно в плане расчетов) не позволило добиться значимого эффекта. Поэтому с 60-х годов большая часть финансирования в области термоядерной энергетики была направлена на вариант, предложенный советскими учеными.
И только в 80-х годах к идее Спитцера вернулись вновь, пытаясь преодолеть ограничения более простой конструкции токамаков. И ключевым прорывом стало появление мощных компьютеров. В 1981 году физик PPPL Аллен Бузер изобрел систему координат магнитных полей, известную как координаты Бузера. Она помогла ученым понять, как именно разные конфигурации внешних магнитов влияют на удержание плазмы. Например, с их помощью были открыты свойства скрытой симметрии, что привело к повышению эффективности работы экспериментальных стеллараторов.
«Возросшая вычислительная мощность наконец позволила исследователям бросить вызов так называемому фатальному недостатку стеллараторов: отсутствию тороидальной симметрии», — говорит Бузер, который сейчас является профессором прикладной физики в Колумбийском университете.
Это позволило учёным и инженерам из разных стран создать альтернативу токамакам. В 1998 году в Токио, Япония, запустили «Большое спиральное устройство» (LHD) под управлением Национального института термоядерной науки. На нём проверялись разные методы нагрева движущегося потока плазмы, применяемые также в токамаках. Например, инжекцию нейтрального пучка (NBI) и нагрев с помощью электронно-циклотронного резонанса (ECR) — метода, при котором микроволны разгоняют электроны в плазме и тем самым передают ей энергию.
В 2015 году в Германии ввели в эксплуатацию самый большой в мире стелларатор Wendelstein 7-X — о нём уже писали на SE7ENе. А в 2018 году исследователи опубликовали работу, в которой сообщили об отличных результатах: удалось удерживать плазму в течение 160 мс и снизить ток «плазменного шнура» в четыре раза. Для стеллараторов это особенно важно, потому что, в отличие от токамаков, такой ток считается паразитным, поскольку он может вызывать нестабильности и мешать точному контролю конфигурации плазмы.
В общем, у термоядерного синтеза появился ещё один интересный путь развития. Конечно, это не единственный подход — например, канадский стартап General Fusion инициирует реакцию с помощью ударов по расплавленному металлу. Но всё же именно методы магнитного удержания, такие как токамаки и стеллараторы, считаются наиболее перспективными.
Проблема токамаков и стеллараторов заключается еще в том, что они безумно дорогие, а на их постройку уходит много времени. Скажем, Wendelstein 7-X обошелся в 1 млрд долларов и 20 лет непрерывного труда. Команда PPPL во главе с Майклом Зарнсторффом и Кеннет Хаммондом решила отказаться от этой концепции и создать «настольную» модель стоимостью менее 1 млн долларов.
Стелларатор Muse появился благодаря неудачному эксперименту
В конце 1990-х годов физики и инженеры PPPL начали проектировать собственную версию стелларатора, названную National Compact Stellarator Experiment (NCSX). Задуманный как самый передовой стелларатор в мире и ответ японскому LHD, он использовал новую концепцию магнитного удержания, называемую квазисимметрия. Компромисс, который имитирует симметрию токамака, сохраняя при этом преимущества стабильности и удержания стелларатора, используя только внешние магнитные поля.
«Мы задействовали все суперкомпьютеры, которые смогли найти», — говорит Зарнсторфф, возглавлявший группу разработчиков NCSX, — «выполняя моделирование сотен тысяч конфигураций плазмы для оптимизации физических свойств».
В 2014 году Зарнсторфф задумался о создании первого в своем роде стелларатора, который использовал бы комбинацию из постоянных магнитов для «закручивания» поля и электромагнитов для формирования тороидальной формы. Конечно, такое решение не подходит для выработки термоядерной энергии в промышленных масштабах. Но для чего, когда можно создать что-то поменьше? Так появился стелларатор Muse.
«Muse задумывалась как испытательный стенд для тестирования магнитных конфигураций и проработки теоретических моделей», — говорит научный физик PPPL Кеннет Хаммонд. — «Вместо немедленного коммерческого применения, он больше сосредоточен на изучении фундаментальных аспектов конструкции стелларатора и поведения плазмы».
Команда под руководством Хаммонда и Зарнсторфф спроектировала реактор с двумя независимыми наборами магнитов, чтобы заставить заряженные частицы двигаться по траектории, похожей на штопор. Для этого 9920 неодимовых магнитов крепятся парами к панелям из нейлона, напечатанным на местном 3D-принтере. Вся конструкция окружает стеклянную вакуумную камеру, изготовленную на заказ. На наружной же оболочке располагаются 16 электромагнитов с медной обмоткой, установленных под углом 90 градусов по отношению к направлению потока плазмы.
Получается устройство, сочетающее две функции:
-
Постоянные магниты закручивают плазму по внутренней стенке трубки в форме бублика;
-
Более мощные электромагниты задают основную траекторию потока.
Результат — небольшая установка, которая обошлась PPPL в 640 тысяч долларов, и была создана буквально за три года. Причем большая часть этой суммы, по утверждению некоторых участников, ушла на пиццу и пиво для аспирантов, которые помогали с созданием Muse.
«Удивительно, но с точки зрения способности удерживать частицы Muse на два порядка превосходит любой ранее построенный стелларатор», — говорит Хаммонд. «И поскольку это первый работающий стелларатор с квазиосевой симметрией, мы сможем проверить некоторые теории, которые мы никогда не могли проверить на NCSX».
Наследие эксперимента PPPL
Зарнсторфф, вдохновившись опытом Muse, основал компанию Stellarex. И ее главная задача — разрабатывать более компактные и бюджетные установки термоядерного синтеза. Да, они не запитают целый город. Но лабораторию или здание, где все располагается — вполне.
«Мы попытаемся создать комбинацию из постоянных и сверхпроводящих электромагнитов, как было с Muse. Но вопрос пока остается открытым», — говорит Зарнсторфф.
Другой стартап — Thea Energy, основал Дэвид Гейтс, глава лаборатории PPPL и бывший руководитель Зарнсторффа и Хаммонда. Концепция этих стеллараторов чуть иная: на наружной оболочке будут установлены плоские небольшие электромагниты, охлаждаемые до температуры сверхпроводимости. При этом речь идет о небольших моделях, которые должны поместиться в рабочем кабинете.
«Идея состоит в том, чтобы использовать сотни небольших электромагнитов, которые ведут себя во многом как постоянные магниты. Каждый можно включать и выключать очень быстро, тонко управляя магнитным полем», — говорит Гейтс. — «Это позволит нам не так сильно зависеть от допусков изготовления, и при этом реализовать любой алгоритм движения потока плазмы».
Компания Thea Energy уже привлекла 23 миллиона долларов инвестиций, и сейчас разрабатывает первый прототип. В будущем эти наработки станут основой для небольшой термоядерной станции Helios.
PPPL тоже не собирается останавливаться на проекте Muse и активно работает над очередным прототипом компактной установки, позволяющей исследовать свойства плазмы. Директор PPPL Роберт Коули говорит:
«Нас в ближайшее десятилетие ожидают еще огромные сложности. Начиная от разработки устойчивых материалов, совершенствования электромагнитов (например, уменьшения их времени отклика), и заканчивая проработкой математической модели магнитной поля, от которой все зависит»
PPPL использует суперкомпьютер Summit Ок-Риджской национальной лаборатории с вычислительной мощностью 122 ПФлопс, просчитывая модели поведения плазмы в магнитном поле. Но все равно моделирование занимает слишком много времени. Поэтому на территории лабораторного комплекса уже заложен фундамент нового здания стоимостью 110 миллионов долларов. В нем будут размещаться дополнительные вычислительные серверы и задействоваться ИИ для ускорения вычислений.
«Мы хотим в ближайшие 5 лет хотя бы приблизиться к решению, возможно, величайшей научной задачи в истории человечества — получению чистой, бесконечной энергии. И это оправдывает любые вложения и затраченное время», — добавляет Коули.
Конечно, конкретных сроков никто не знает и не называет. Но кажется, что шансов добиться полезных результатов у проекта «настольного» стелларатора вроде Muse больше, чем у условного ИТЭРа, который мы вряд ли с вами дождемся.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
