Свръхпроводящите магнити на големия адронен колайдер създават магнитно поле със сила до 8,3 Тesla (Т). 18-те D-образни нискотемпературни магнити експерименталният термоядрен реактор ITER могат да създават магнитно поле със сила до 11,8 Т, с помощта на което да се удържа плазмата. При това всяка една от тези индуктивности тежи 360 тона и е висока цели 17 метра. Сега учените от Масачузетския технологичен институт (MIT) извършиха голям пробив в тази сфера: те създадоха съвсем нов тип свръхпроводящи магнити, които могат да генерират магнитно поле със сила 20 Т. Аналогичен реактор, но с обикновени нискотемпературни магнити би бил 40 пъти по-голям. Този пробив прави управляемия термоядрен синтез много по-близо до нашата реалност.
През 2018 година екип учени от MIT основаха компанията Commonwealth Fusion Systems (CFS), работеща в областта на управлението на термоядрен синтез. Към днешен ден CFS е една от най перспективните компании в тази сфера, като това се дължи най-вече на изключително мощните електромагнити, които могат много по-добре да удържат плазмата, която в този тип реактори се използва за получаване на топлина и генериране на електрическа енергия.
Термоядреният синтез е процес, който захранва Слънцето. Сливането на два малки атома в един по-голям е съпроводено с освобождаването на огромно количество енергия. Само че този процес изисква температури, които многократно превишават температурите, които може да издържи който и да било твърд материал. За да получим на Земята източник на енергия, който е подобен на Слънцето, е необходим начин за създаването и удържането на изключително гореща плазма с температура минимум 100 000 000 градуса. Това трябва да става без тя да се докосва до каквито и да било твърди материали и се осъществява чрез нейното удържане в мощни магнитни полета.
Тези изключително интензивни магнитни полета образуват нещо като невидима бутилка, в която плазмата бурно кипи.
Управляемият термоядрен синтез е Светият Граал за много учени в продължение на вече половин век. Ако тази мечта се сбъдне, то човечеството ще получи на практика неограничен източник на чиста енергия. Но досега така и никой не успя да създаде термоядрен реактор, който да генерира повече енергия отколкото консумира.
CFS построи специализирана площадка в Масачузетс, където възнамерява да изгради първи прототип на своя иновационен термоядрен реактор, както и завод за производството на новият тип магнити. Прототипът трябва да докаже, че реакторът наистина може да генерира повече енергия отколкото консумира. Компютърните модели на компанията показват, че реакторът от този тип трябва да произвежда 10 пъти повече енергия, отколкото е необходимо за неговата работа. Самите магнити се изготвят чрез нанасяне на тънък филм екзотични материали върху подложка, която прилича на лента за видеокасетофон.
Ключът към чистата енергия
Ключовата технология на CFS и на техните колеги от MIT са високотемпературните свръхпроводящи електромагнити. На 5-ти септември миналата година тези компании успяха да създадат магнитно поле със сила до 20 Т. Това наистина значително превъзхожда всички налични към днешен ден разработки от подобен род.
В новите магнити се използва високотемпературен свръхпроводник, който е един от видовете на бариевия меден оксид. Той се произвежда в промишлени количества във вид на тънка лента. Учените са използвали 267км подобна лента, за да създадат 16 плоски магнита. Те са поставени в конструкция, която по форма прилича на буквата D. Именно тази форма ще обкръжава от всички страни високотемпературната плазма и ще я удържа в стабилно състояние.
Преди магнитите да могат да започнат да генерират мощно магнитно поле, те трябва да бъдат охладени. Именно това е един от основните проблеми при този тип термоядрени реактори. В термоядрената инсталация ITER се използват нискотемпературни свръхпроводящи магнити. За тяхната нормална работа е необходимо те да бъдат охладени до 4 Келвина или -269 градуса по Целзий. Това изисква изключително много енергия.
Магнитите на CFS са високотемпературни. Първите високотемпературни свръхпроводници химически съединения са открити още през 1986 година от IBM. Една година по-късно Йоханес Георг Беднорц и Карл Александър Мюлер получиха Нобелова награда по физика за своето откритие.
Тези съединения запазват свръхпроводящи си свойства при значително по-високи температури – до около 90 Келвина или -183 градуса по Целзий. В началото това са съвсем крехки кристали, които не са подходящи за производството на магнити. Ето че след няколко десетилетия учените намериха начин да използват този свръхпроводник, като го нанасят във вид на тънък филм върху здрава стоманена подложка.
Новите магнити на CFS генерират магнитно поле със сила 20 Т при температура 20 Келвина (-235 градуса по Целзий). Но за бъдещия прототип са достатъчни 12 Т и няма да се наложи чак толкова силно охлаждане.
В крайна сметка CFS използват високотемпературни свръхпроводници, за да осигурят много по-силно магнитно поле в по-малко пространство. Този скок в мощността, съпоставен с размерите на новия реактор, може да се окаже така търсеният ключ енергийната революция.
„Сега вече имаме платформа, която е изключително добра от научна гледна точка благодарение на десетилетия изследвания. Тя е изключително интересна и от търговска гледна точка. Тя ще ни даде възможност за много по-бързото създаване на новия тип реактори, които са компактни и икономични“ – заяви Мартин Гринуълд, заместник директорът, който представя MIT в този проект.
Какво следва?
Commonwealth Fusion Systems са си поставили за цел да изградят един компактен термоядрен реактор. Първоначално това ще бъде демонстрационен реактор тип SPARC, който трябва да бъде стартиран още през 2025 година.
Първата инвестиция в новия термоядрен реактор от нов тип в размер на 50 милиона щ. долара направи италианската нефтогазовата компания Eni, а във втория инвестиционен кръг фондацията на Бил Гейтс, както и още няколко инвестиционни компании, инвестираха обща сума от 115 милиона щ. долара. Но след демонстрацията на новите високотемпературни свръхпроводници магнити компанията получи още 1,8 милиарда щ. долара и започна изграждането на специализираната площадка за бъдещия термоядрен реактор. Инвеститорите проучиха и се увериха в потенциала на тази технология, след което направиха своите сериозни инвестиции.
Теоретичните пресмятания и създадените компютърни модели показват, че прототипът трябва да генерира 10 пъти повече енергия, отколкото консумира. Общата мощност на този реактор е в пределите на от 50 до 100 мегавата.
Първата фаза на този проект обхваща новия тип магнити. Полагането на научните основи на тяхната работа и тяхното изследване са отнели три години. Втората фаза е с продължителност 4 години, през които ще се изгражда самия термоядрен реактор.
Ако демонстрацията се окаже успешна веднага след SPARC ще започне строителството на пълноценната термоядрена електроцентрала ARC, която ще бъде включена към електропреносната мрежа и непрекъснато ще генерира енергия. Очакванията са това да се случи не по-късно 2030 година.
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.
В началото на миналата година и 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.
А според публикувания преди време 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 са обявили 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.