Стартап, получивший инвестиции от Сэма Альтмана, заявляет о готовности запустить первую в мире коммерческую термоядерную электростанцию уже через пять лет. Это значительно сокращает срок достижения цели — источника безуглеродной энергии, который оставался неуловимым для ученых на протяжении трех четвертей века.
Заявление Helion Energy о скорой коммерциализации процесса, питающего Солнце, звучит ошеломляюще, и, по мнению ряда ядерных экспертов, вызывает вопросы. Главная причина скепсиса в том, что компания не раскрывает, достигла ли она первого критического порога для управляемого синтеза: получения большего количества энергии, чем было затрачено на запуск процесса (Q>1).
Тем не менее, 10-летняя компания из Эверетта, штат Вашингтон, уже заключила сделку на поставку электроэнергии со своим первым клиентом — гигантом программного обеспечения Microsoft. Helion рассчитывает, что станция будет построена в Вашингтоне, начнет работу в 2028 году и достигнет полной генерации не менее 50 мегаватт в течение года.
Для сравнения, это небольшая мощность: типичная американская газотурбинная станция сейчас имеет мощность значительно превышающую 500 мегаватт. Однако, если Helion добьется успеха, это будет прорыв. Коммерческие термоядерные установки способны обеспечить стабильный поток чистой электроэнергии, не страдая от проблемы непостоянства солнечной и ветровой энергии, а также избегая противоречий, связанных с делением ядра (реакциями деления). Это может удешевить и упростить декарбонизацию энергетического сектора и удовлетворить растущий спрос на электричество в условиях глобальной гонки по сокращению выбросов от транспорта, зданий и промышленности.
Другие стартапы в области термоядерного синтеза нацелены на запуск своих установок в начале 2030-х годов, и многие наблюдатели считают даже эти сроки излишне оптимистичными.
Если только Helion не совершила каких-то грандиозных и не афишированных прорывов, компании все еще предстоит решить ряд сложнейших технических задач, отмечает Джессика Ловерин, исполнительный директор Good Energy Collective, аналитической группы, выступающей за развитие ядерной энергетики.
Сюда входит не только получение чистого энергетического прироста, но и преобразование этой энергии в стабильную, доступную форму электричества, готовую поступать в общую сеть.
«Таким образом, у нас есть два больших недоказанных шага», — говорит Ловерин, добавляя, что она «скептически относится к технологической готовности».
Адам Стейн, директор программы инноваций в ядерной энергетике в Breakthrough Institute, также считает, что Helion все еще сталкивается с серьезными техническими препятствиями. «Это не означает, что это невозможно, но это и не похоже на плавное движение к победе, как это часто изображают, — говорит он. — Речь идет о настоящих прорывах».
Достижение прироста
На сегодняшний день только одна исследовательская группа, Национальная зажигающая установка (NIF) Ливерморской национальной лаборатории, смогла достичь так называемого «научного чистого энергетического прироста». Это означает, что в ходе эксперимента было получено больше энергии от синтеза, чем было введено с помощью 192 лазеров, инициирующих реакцию. Этот важный рубеж был достигнут в конце прошлого года.
Однако этот эксперимент не привел к «инженерному приросту», который учитывает общую энергию, необходимую для питания лазеров и поддержания всего процесса. Достижение этого уровня, по мнению экспертов, жизненно важно для разработки практичных коммерческих термоядерных систем. (К слову, лаборатории пока не удалось повторить этот успех ни разу, как сообщалось в сообщениях).
В 2015 году Дэвид Киртли, генеральный директор Helion, заявлял мне, что компания сможет достичь «научного прироста» в течение следующих трех лет. Когда на этой неделе его снова спросили, достигла ли компания научного или инженерного прироста, или когда она ожидает этого, Helion отказалась от комментариев, ссылаясь на вопросы конкурентоспособности. Компания пояснила, что первоначальные прогнозы по срокам основывались на предположении, что им удастся привлечь финансирование быстрее, чем это произошло на самом деле.
Помимо технических сложностей, Helion также придется заниматься проектированием, лицензированием и строительством коммерческой станции, в то время как Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) все еще дорабатывает детали надзора за этим зарождающимся сектором.
Однако Киртли подчеркивает, что компания, в которой работает около 160 человек, использует подход, позволяющий обойти некоторые препятствия, с которыми сталкиваются другие исследовательские группы и стартапы. Он также утверждает, что они уже добились значительного прогресса.
Helion разработала и испытала шесть прототипов. В 2021 году компания объявила, что последний из них, под кодовым названием Trenta, достиг температуры свыше 100 миллионов градусов Цельсия, став первой частной компанией, публично заявившей о достижении температур, необходимых для коммерческой установки. Сейчас компания строит седьмой прототип, Polaris, который, как ожидается, продемонстрирует способность генерировать электричество из реакций уже в следующем году.
«Учитывая историю термоядерного синтеза, мы понимаем, что будет скептицизм, и считаем, что этот скептицизм полезен», — ответили в Helion изданию MIT Technology Review. «Результаты и прогресс нашего шестого прототипа вселяют в нас уверенность в реалистичности наших сроков и возможности построить первую термоядерную электростанцию к 2028 году», — говорится в заявлении.
Плазма и импульсы
В то время как реакции деления, питающие традиционные АЭС, расщепляют атомы, синтез работает путем их слияния при чрезвычайно высоких температурах, чтобы преодолеть обычные силы отталкивания атомов вблизи друг друга. Это создает новый атом с небольшой потерей массы, которая высвобождает огромное количество энергии.
Большинство других лабораторий и стартапов используют мощные лазеры или тороидальные машины, окруженные сильными магнитами, известные как токамаки, для создания условий, в которых может произойти устойчивая серия реакций синтеза — состояние, известное как зажигание. Helion же разрабатывает свою систему, которую называет «импульсной системой синтеза без зажигания», требующей, чтобы синтез происходил лишь кратковременными вспышками.
Устройство компании представляет собой «ускоритель плазмы» в форме гантели размером шесть на сорок футов (примерно 1,8 на 12 метров). Он использует мощные магниты для нагрева газовой смеси до такой степени, что атомы распадаются, создавая кольца сверхгорячего состояния материи, называемого плазмой, на обоих концах устройства.
Затем магниты разгоняют эти кольца навстречу друг другу со скоростью миллион миль в час, дополнительно сжимая их в центре устройства, что, по данным компании, создает температуру свыше 100 миллионов °C. Это инициирует реакции синтеза, в ходе которых ядра сталкиваются, протоны и нейтроны объединяются, выделяются различные частицы и генерируется энергия.
Другие подходы к синтезу потребовали бы дополнительного этапа преобразования этой энергии в электричество с помощью традиционных методов, таких как нагрев воды или других рабочих жидкостей для вращения турбины. Но Киртли утверждает, что процесс Helion позволяет извлекать электричество напрямую.
По мере того как плазма продолжает нагреваться и расширяться, ее собственные магнитные поля отталкиваются от полей, созданных окружающими устройство магнитами. Это вызывает поток заряженных частиц, или электрический ток, через соседние электромагнитные катушки. Это, в свою очередь, перезаряжает накопитель энергии, известный как конденсатор, который питает магниты, готовя их к следующему импульсу.
Чтобы функционировать как электростанция, устройство Helion должно будет производить энергию сверх той, что требуется для импульсов. Эта дополнительная энергия будет преобразовываться в переменный ток и направляться в сеть.
Планируемый коммерческий генератор не будет физически больше самого последнего прототипа Helion, но ему потребуются дополнительные системы для охлаждения, подключения к электросети и другие элементы, уточняет Киртли.
«Инженерные вызовы»
Пол Уилсон, профессор ядерной инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон, заявил, что его «удивит», если коммерческая термоядерная установка заработает к 2028 году, но отметил, что это «было бы замечательно».
Он согласен, что в подходе Helion есть явные преимущества, но также указывает на существенные компромиссы.
Самым простым топливом для синтеза является комбинация двух изотопов водорода — дейтерия и трития. Однако Helion заменила тритий на гелий-3.
Это приведет к образованию меньшего количества нейтронов — субатомных частиц, которые обычно делают другие объекты радиоактивными. Это должно уменьшить повреждение устройства и снизить проблемы с радиоактивными отходами. Но, как отмечает Уилсон, это усложняет процесс получения необходимого топлива и инженерные требования для достижения условий синтеза.
Аналогично, импульсный подход, который также используют некоторые конкурирующие стартапы, такие как Zap Energy, устраняет необходимость поддерживать устойчивые реакции синтеза. Но это делает начальную инженерию гораздо более сложной.
«Основная проблема — доказать, смогут ли они создать достаточно мощный импульс для получения достаточного количества энергии, а затем захватить ее в объеме, достаточном для питания следующего импульса», — говорит Уилсон. «Если им это удастся, то инженерные задачи, которые им предстоят для остальной части системы, будут проще, чем те, которые пытаются решить некоторые другие компании».
«Супер уверен»
В пользу Helion говорят и несколько дополнительных факторов, в том числе наличие значительного финансового резерва для финансирования своих усилий.
На сегодняшний день Helion привлекла 570 миллионов долларов венчурного капитала от таких инвесторов, как Mithril Capital Питера Тиля, Y Combinator, соучредитель Facebook Дастин Московиц и соучредитель LinkedIn Рид Хоффман. Однако большая часть средств была получена в результате раунда на 500 миллионов долларов, объявленного в ноябре 2021 года, включая 375 миллионов от Сэма Альтмана, генерального директора OpenAI — это его самая крупная единичная инвестиция.
Альтман ранее говорил изданию MIT Technology Review, что первоначально вложил в Helion около 10 миллионов долларов, но резко увеличил свою долю, когда «стал супер уверен в том, что это сработает».
Согласно соглашению, объявленному в среду, Microsoft будет платить за электроэнергию, которую Helion сгенерирует, при условии, что станция в конечном итоге будет построена и запущена. Компания-разработчик ПО не ответила на вопросы о том, были ли какие-либо авансовые платежи или инвестиции в Helion со стороны Microsoft.
Киртли считает, что это соглашение позволит Helion сосредоточиться на выборе площадки и демонстрирует рыночный спрос, который может стимулировать дальнейшую активность в сфере коммерческого синтеза.
Брэд Смит, вице-председатель и президент Microsoft, заявил в своем официальном заявлении, что сделка поддержит «долгосрочные цели компании по использованию чистой энергии» и «будет способствовать развитию рынка для установления нового, эффективного метода более быстрого вывода большего количества чистой энергии в сеть».
Регуляторные проблемы
На фоне растущей коммерческой активности Комиссия по ядерному регулированию США недавно приняла ключевое решение о том, как она будет лицензировать термоядерные установки. Она выбрала подход, используемый для исследовательских ускорителей частиц, а не более обременительную процедуру, применяемую для АЭС, работающих на делении.
Эксперты отмечают, что термоядерные системы действительно производят ядерные отходы, что требует строгих процедур и правил для обращения с материалами и последующего вывода установок из эксплуатации. Однако эти объекты не производят тех сверхдолгоживущих радиоактивных отходов, как реакторы деления, а также не создают аналогичных проблем с хранением или рисков распространения ядерного оружия.
Теперь персоналу NRC предстоит разработать конкретный процесс «разработки правил» для лицензирования термоядерных установок в рамках этого подхода, что может занять от нескольких месяцев до нескольких лет.
Однако, по мнению Стейна из Breakthrough Institute, в будущем проекты, связанные с синтезом, должны получать одобрение быстрее, чем традиционные АЭС, лицензирование и строительство которых в США может легко занять десятилетие.
Киртли, со своей стороны, «уверен», что Helion сможет запустить первую в мире термоядерную электростанцию в 2028 году, учитывая достигнутый прогресс, решение NRC, текущую работу с регуляторами штата и федерального уровня, а также факт того, что ряд прототипов уже прошли лицензирование.
Но он признает, что компания сталкивается с большими проблемами и потенциальными задержками. «По правде говоря, синтез — это сложно, новые электростанции — это сложно, и любая первая в своем роде установка — это тоже сложно, — заключает он. — Именно поэтому мы стараемся опередить события и решить все эти проблемы уже сегодня».
