Ако учените успеят да обуздаят ядрения синтез – процесът, който протича в недрата на нашето Слънце, то той ще предостави на човечеството на практика безкраен източник на чиста енергия. Но и до днес по време на многобройните експерименти никой така и не успя да получи повече енергия, отколкото се изразходва за стартиране и поддържане на този процес. Редовно се появяват новини за постигнати рекорди в сферата на термоядрения синтез, но засега никой не е съобщил, че е получил повече енергия, отколкото е изразходвал. Последно време се появиха немалък брой частни компании, като всяка от тях иска към 2030-та година да бъде първата, създала термоядрен реактор, който може да подава електрическа енергия за нуждите на домакинствата и заводите. Нека се задълбочим малко повече и да се опитаме да разберем доколко близо сме до осъществяването на пробив в тази област.
На изключително амбициозния проект ITER се спряхме преди две години, като това се счита за най-голямата научна и инженерна строителна площадка на новия век. Оттогава проектът поскъпна до 22 милиарда щ. долара, а неговото строителство във Франция е в разгара си, като сега се изгражда системата за отвеждане и разсейване на топлината. ITER е най-сложното техническо съоръжение в историята на човечеството. Основната конструкция се състои от над два милиона детайли. Това е повече, отколкото са детайлите в Големия Адронен Колайдер. Експертите го наричат ‘най-големият пъзел в света’.
COVID-19 пандемията забави работата върху ITER, но първите експерименти за осъществяване на ефективен термоядрен синтез са обявени за 2025 година, което е едно съвсем близко бъдеще. Въпреки това в различни ъгълчета на целия свят се провеждат многобройни експерименти в по-малки мащаби с помощта на най-различни експериментални термоядрени реактори. Нека да се спрем върху техните успехи и значения.
В дълбините на нашето Слънце под въздействието на огромните температури и гравитация в продължение на милиарди години протича реакцията на термоядрения синтез. При нея водородните ядра се сблъскват и образуват по-тежките атоми на хелия, като при този процес се излъчват неутрони и огромно количество енергия, благодарение на която е възникнал и се поддържа живота на нашата планета.
За да се създаде едно подобно миниатюрно Слънце в земни условия е необходимо да бъде създадена плазма, която да не се докосва до нищо, което се постига с помощта на мощни магнитни полета. ITER например, работи по следния начин:
- Няколко грама газообразни деутерий и тритий се вкарват в огромна камера във вид на тор. Това е така нареченият реактор тип токамак.
- Газът се нагрява докато не се превърне в йонизирана плазма
- Плазмата се удържа в стабилно състояние с помощта на сложна система от свръхпроводящи индуктивности
- При достигане температура на плазмата от ниво на 150 милиона градуса по Целзий започва реакцията на синтез
- По време на реакцията на синтез съвсем малко количество маса се преобразува в огромно количество енергия, предимно във вид на топлина. Процесът много прилича на това, което се случва дълбините на нашата звезда
- Водата, която циркулира в стените на тора, поглъща тази топлина и се превръща в пара
- Тази пара задвижва мощна турбина, която генерира електрическа енергия. За съжаление, към днешен ден човечеството не е измислило нищо по-ефективно. Ако някой намери начин за директното преобразуване на ядрената енергия в електрическа, навярно ще получи няколко нобелови награди
Енергийният рекорд
Учените, които участват в проекта на експерименталния реактор Joint European Torus съобщиха миналата седмица за постигнат световен рекорд по количеството генерирана енергия, получена от сливането на атоми. Предишният рекорд се задържа в продължение на 24 години и бе счупен през месец ноември 2021. По време на този експеримент учените в рамките на пет секунди са получили 59 мегаджаула енергия при мощност 11 мегавата. Това е над два пъти повече от енергията получена през 1997 година.
За да поставят този рекорд на 21 декември в експерименталният термоядрен реактор JET е използвано специално гориво, базирано на тритий. Това е точно същото гориво, което ще се използва и при ITER. Тритият е рядко срещан радиоактивен изотоп на водорода, който при сливането с деутерий излъчва много повече неутрони в сравнение с термоядрената реакция, в която се използва единствено деутерий. Това увеличава количеството получена енергия. Реакторът JET бе модернизиран в продължение на две години, за да може да постигне тези параметри.
Токамакът JET по време на импулс с продължителност 5 секунди успя да произведе 59 мегаджаула енергия. При предишния рекорд за 4 секунди бяха получени 21,7 мегаджаула.
Тези краткотрайни експерименти с генерирането на неголямо количество енергия са изключително важни за натрупване на необходимите познания относно нагряването, охлаждането и движението на плазмата в термоядрения реактор. Но един от най-важните параметри, който показва бъдещите възможности на комерсиалните реактори с термоядрен синтез е съотношението на изходната мощност спрямо консумираната, като това съотношение обикновено се обозначава чрез символа Q. Ако този коефициент стане равен на единица, това ще бъде голям пробив, понеже ще означава, че ядрената реакция протича без загуби. При експеримента от миналата седмица термоядреният реактор JET поддържаше параметъра Q=0,33 в продължение на 5 секунди.
Учените обръщат внимание на това, че обемът на JET е десет пъти по-малък от този на ITER и правят сравнение, че това е все едно вана в сравнение с басейн. Малкият експериментален реактор по-бързо губи топлината и от него не се и очаква постигането на термоядрена реакция без загуби. Според съставените компютърни модели, ITER трябва да постигне Q с значение 10.
JET съвсем точно постигна необходими резултат, който бе получен чрез съставените компютърни модели. Същите модели показват, че и ITER ще постигне много добри показатели. Резултатите от JET дават възможност за натрупване на познания и статистика, които ще се използват за прогнозиране работата на ITER и доколко лесно този реактор ще може да се управлява.
Времевият рекорд
В началото на тази година Китай съобщи за рекорд по продължителност на удържане на плазмата. Институтът по физически науки на Хефей използва свой собствен експериментален усъвършенства свръхпроводящ токамак (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST). Тази инсталация е също един изпитателен полигон, благодарение на който също се натрупват познания, които ще се използват при ITER. Въпреки обтегнатите отношения, в момента китайските учени, както и техните колеги от няколко десетки държави, съвместно работят върху този общ международен проект.
Преди една година в EAST бе постигната температура на плазмата 120 милиона градуса по Целзий и възникналата термоядрена реакция бе удържана в продължение на 101 секунди. А в края на 2021-ва EAST постави рекорд по устойчивост на високата температура. Плазмата в китайския токамак бе нагрята до температура 70 милиона градуса по Целзий, а реакцията остана в стабилно състояние в продължение на 1056 секунди – най-дългото време в историята на термоядрените реактори.
До добавим, че през 2020 година корейският свръхпроводящ токамак успя да удържи високотемпературна плазма в продължение на 20 секунди. Температурата на плазмата и времето на нейното удържане с всяка една изминала година растат. Корейските и китайските учени поставят рекорд след рекорд, но постигнатото от Поднебесната в края на миналата година е значително повече.
Тези инсталации също са експериментални и при тях изобщо не е и предвидено генерирането на полезна енергия. Китайските учени по този начин натрупват познание и статистики, и по този начин създават нови технологии, които са необходими за поддържането на стабилна термоядрена реакция в токамака.
Частните компании
Според публикувания наскоро отчет на Fusion Industry Association, към днешен ден в света има над 30 частни компании, които работят в сферата на термоядрения синтез. 18 от тях обявиха за привлечени инвестиции на обща сума над 2,4 милиарда щ. долара от различни инвестиционни фондове. Една от тях е TAE Technologies, в която бяха инвестирани над 880 милиона щ. долара от Goldman Sachs, фамилията Рокфелер, и от съоснователя на Майкрософт Пол Алън.
TAE Technologies използва съвсем друга форма на реактора. Това не е идеален тор, а издължен цилиндър с дължина 30 метра. За поддържането и управлението на високотемпературната плазма е необходима специализирана компютърна система. Използват се най-новите компютърни алгоритми на Google.
Всички компоненти и елементи на оборудването на термоядрения реактор C2W Norman на TAE Technologies се правят с помощта на специалните алгоритми с елементи на изкуствен интелект на Google. За провеждането на различните експерименти се използва машинно обучение. Учените твърдят, че тези алгоритми дават възможност за един ден да се решават проблеми, за които обикновено са необходими два месеца.
При C2W Norman две кълба от плазма се сблъскват със свръхзвукова скорост във вътрешността на специално проектирана тръба. За гориво на плазмата се използват водород и бор, които искат изключително високи температури – става дума за няколко милиарда градуса по Целзий. Звучи твърде фантастично, но авторите на този проект са сигурни, че ще могат да постигнат това значение, което ще стане с помощта на ускорител на частици.
TAE Technologies заявиха, че до 2030 година ще представят на пазара първия комерсиален и в същото време тестов термоядрен реактор. И другите частни компании посочват 2030-те години като време на разцвет на енергията от термоядрен синтез. Правят се многобройни паралели с космическия сектор, който навремето се развиваше с помощта на държавите, но през последните десетина години все повече разчита на частната инициатива.
От друга страна учените, които не работят в частните компании, са много по-малко оптимистични. Те са на мнение, че частните компании ще имат нужда от десетилетия само за да намерят необходимите спонсори.
Британската Tokamak Energy, която работи съвместно с ЦЕРН и американската Commonwealth Fusion Systems, която е дъщерна компания на Масачузетския технологичен институт, не са съгласни с това мнение. Още през 2025 година тези компании възнамеряват да демонстрират работата на сферичен токамак, който е много по-малък от ITER. Този термоядрен реактор е с мощност около 100 мегавата, като значението Q при него ще бъде положително цяло число.
Оптимизмът на британците се дължи предимно на новите видове магнити, които са направени от ленти високотемпературни свръхпроводящи материали. CFS използва магнити от итрий-барий-меден оксид. Това е изключително важно, понеже всички свръхпроводящи материали стават свръхпроводници при температури много по-ниски от температурата на околната среда и имат нужда от мощно охлаждане. ITER например, има гигантски свръхпроводящи магнити и сложна система на охлаждане, в която се използва течен хелий.
От друга страна, високотемпературните свръхпроводници могат да бъдат охлаждани от течен азот, който е много по-евтин и по-лесен за използване и съхраняване. Очакванията са тези нови магнити да се окажат нещо като истинска приказка за енергията от термоядрен синтез.
Очертава се такава ситуация, че само след някакви си три години ще можем със собствените си очи да видим дали частната инициатива ще успее да изпревари международната общност от учени, поддържани от различните държави. Може би ще станем и свидетели на първия термоядрен реактор, който ще подаде енергия за фабриките и домовете.
