Ядерный синтез, подпитываемый миллиардными долларами, вступает в новую эру

Разработчики термоядерного синтеза, собравшие в 3 году более 2021 миллиардов долларов от таких компаний, как Билл Гейтс и Джефф Безос, настаивают на том, что этот источник энергии с нулевым выбросом углерода может стать реальностью в течение десятилетия.

Понятно, что ядерный синтез может работать в больших масштабах - просто посмотрите на звезды. В течение 70 лет физики мечтали разогнать эту звездную энергию в виде термоядерных реакторов, которые питали бы электрическую сеть такими же безграничными реакциями с нулевым выбросом углерода, которые заставляют сиять солнце. Этот Святой Грааль долгое время рекламировался через 20 или 30 лет, но поклонники фьюжн отказались отказываться от веры. И не зря. Синтез (разбиение атомов водорода в гелий) обещает безграничную электроэнергию без углерода с нулевым риском расплавления и практически без радиоактивных отходов, связанных с существующими атомными электростанциями, работающими на делении (расщепление атомов урана на более мелкие элементы). 

Эта мечта вдохновила Аджая Рояна, соучредителя Mithril Capital (вместе с миллиардером Питером Тилем), который в 2013 году впервые вложил 2 миллиона долларов в компанию Helion Energy в Редмонде, штат Вашингтон, чтобы создать прототип машины с «повторяющимися импульсами». С тех пор Mithril инвестировал в Helion, включая недавний раунд на 500 миллионов долларов (оценка компании в 3 миллиарда долларов) - с обещанием еще 1.7 миллиарда долларов, если седьмой прототип компании будет работать, как и предполагалось. Раунд Helion возглавил Сэм Альтман из Y Combinator. 

2021 год стал важным как для финансирования синтеза, так и для прогнозов, поскольку разработчики собрали более 3 миллиардов долларов для финансирования своего следующего раунда машин, причем некоторые из них теперь обещают коммерчески жизнеспособный синтез всего через пять лет. Ройан рад, что слияние привлекает все больше внимания; «Конечно, согласно аналитике Google, 2021 год может стать поворотным моментом для слияния, но настоящий поворотный момент случился десять лет назад, когда силовая электроника перешагнула порог». 

Генеральный директор Дэвид Кертли объясняет, что первоначальные исследования и разработки Helion проводились в федеральных лабораториях, из которых Helion был выделен в 2013 году. Освободившись от федеральной бюрократии в области НИОКР, Helion с тех пор создает новые прототипы один за другим. «Менталитет стартапа - это нехорошо, это требование. и на чем мы сосредоточились с самого начала », - говорит Киртли.

В 2020 году компания Helion завершила строительство своего шестого прототипа реактора, получившего название Trenta. Сейчас он строит седьмую, Polaris, и уже проектирует восьмую, Antares, которую Киртли намеревается стать первой термоядерной машиной, которая когда-либо выделяла больше энергии, чем потребляет. Помимо быстрой итерации, Helion извлекает выгоду из местного опыта. Он строит машину Polaris в Эверетте, штат Вашингтон, недалеко от крупнейших заводов Boeing, где они могут задействовать гостеприимную экосистему контрактных инженеров и производителей точной техники. Киртли говорит, что по утрам они возятся, обновляют системы и подключают конденсаторы. «Каждый день в 3:XNUMX мы начинаем заниматься фьюжн».

Чтобы понять подход Гелиона, сначала рассмотрим магнитное отталкивание, которое возникает, когда вы пытаетесь соединить положительные полюса двух стержневых магнитов. Это принцип, который делает возможными «магнитные» технологии, такие как знаменитые японские сверхскоростные поезда, которые используют магнитное отталкивание, чтобы парить на воздушной подушке. 

Исследователи термоядерного синтеза на протяжении десятилетий стремились изобрести самые сильные в мире электромагниты, с помощью которых они конструировали реакционные камеры с магнитными полями, настолько сильными, что они могли удерживать и сжимать инжектированный поток положительно заряженных протонов в шар плазмы, такой горячий, что они сливаются в гелий. 

В новой системе Helion энергия, выделяемая в реакциях синтеза, непрерывно отталкивается от его магнитного сдерживающего поля, которое отталкивается, вызывая колебания («как поршень», - говорит Киртли), которые генерируют электрический ток, который Helion улавливает непосредственно из реактора. . (Чтобы узнать больше, прочтите закон индукции Фарадея.) 

Роян из Mithril говорит, что, возможно, самая большая привлекательность метода прямого производства электроэнергии Helion - это его простота. Другие подходы к термоядерному синтезу направлены на выработку тепла для кипячения воды и приведения в действие паровых турбин, которые вырабатывают электричество, как на традиционных атомных электростанциях. «Мы можем сделать это без паровых турбин или градирен. Мы избавляемся от электростанции ». 

Безусловно, Киртли понимает скептицизм фьюжн, особенно в отношении своего агрессивного графика. Он начал свою карьеру в области термоядерного синтеза, вдохновленный учеными из национальных лабораторий в 1960-х годах, которые добились больших успехов в области магнитного сдерживания (соперничая с российскими учеными в разработке реакторов в форме пончиков, называемых токамаками) еще до изобретения транзисторов. Но Кертли потерял веру после того, как определил, что ранние подходы просто не могли развиваться достаточно быстро, чтобы дать коммерческое решение, поэтому он начал работать над усовершенствованной двигательной установкой космического корабля с использованием плазменных струй, управляемых электромагнитами. Он вернулся в поле в 2008 году, чтобы помочь коммерциализировать технологию Helion. 

Со временем он планирует производить термоядерные генераторы на фабрике. Система масштаба 50 МВт, собранная в три блока размером с транспортный контейнер, могла бы обеспечить электричеством 40,000 10 домов. «Через XNUMX лет у нас точно будет коммерческое электричество на продажу». 

Это ставит Helion в гонку с базирующейся в Бостоне Commonwealth Fusion Systems, дочерней компанией Массачусетского технологического института, которая привлекла 1.8 миллиарда долларов от инвесторов, включая Билла Гейтса и Джорджа Сороса. Генеральный директор Боб Мамгаард говорит, что через 6 лет у них будет рабочий реактор. Его оптимизм подкрепляется успешными летними испытаниями Содружества наций новых электромагнитов, созданных с использованием сверхпроводников из редкоземельного оксида бария и меди. 

Мамгаард говорит, что эти сверхмощные магниты позволят Содружеству усовершенствовать свой несколько более традиционный подход к термоядерному синтезу, построив реактор «токамак» в форме пончика, который Мамгаард называет «большой магнитной бутылкой», где мощные магнитные поля управляют шарами плазмы со 100 миллионами градусов - « звездные штучки. " 

В мире насчитывается около 150 токамаков; самый большой из них строится во Франции международным консорциумом ITER за 30 миллиардов долларов. Планируется, что строительство 20,000-тонной машины размером с баскетбольную арену будет завершено к 2035 году. 

Но Mumgaard намеревается, что Commonwealth Fusion сделает ИТЭР устаревшим еще до того, как он будет завершен. Его преимущество заключается в применении «высокотемпературных» сверхпроводников, изготовленных из редкоземельного оксида бария и меди (также известного как ReBCO). 

Сверхпроводники перемещают электрический ток практически с нулевыми потерями (например, намного эффективнее, чем медь). И они являются ключом к созданию мощных электромагнитов. Содружество обнаружило, что, создавая свои магниты с использованием специальной ленты из оксида бария и меди (например, ленты в кассете VHS), он может создавать магнитные поля более мощные, чем предполагаемые в ИТЭР, но в масштабе 1/20. 

В то время как первичные магниты ИТЭР (называемые соленоидами) будут весить около 400 тонн и обеспечивать поля сильнее 12 тесла, Содружество рассматривает 15-тонные магниты, каждый из которых использует 300 км тонкопленочной ленты ReBCO, которые будут генерировать 20 тесла (для сравнения: магнитно-резонансная томография делает 1.5 тесла). 

«Это разблокирует термоядерную машину», - говорит Мумгаард. Прошлым летом CES провела испытания магнитов и заявила, что это «доказательство» того, что наука о термоядерном синтезе практически завершена, и все, что осталось, - это построить реактор. «Мы хорошо разбираемся в материале и думаем, что сможем сделать это за три года», - говорит Мумгаард. «К 2030 году мы увидим синтез в энергосистеме». 

CES собирается построить свою термоядерную машину на участке площадью 47 акров в Массачусетсе и уже работает над получением тысяч километров ленты ReBCO. Может ли доступность редкоземельных элементов стать ограничивающим фактором в развитии термоядерного синтеза? Нет, говорит Мумгаард. «В термоядерном заводе будет меньше редкоземельных элементов, чем в ветряной турбине. Fusion - это не ресурс, который вам нужно добывать или перекачивать. Речь идет о технологии ». 

Должно быть место для более чем одного победителя слияния. Среди других лидеров - General Fusion, базирующаяся в Канаде и поддерживаемая Джеффом Безосом, которая в этом году привлекла 130 миллионов долларов. Другими известными миллиардерами, участвующими в термоядерной игре, являются Нил и Линден Блю, которые владеют базирующейся в Сан-Диего компанией General Atomics, которая на протяжении десятилетий управляет исследовательским токамаком от имени Министерства энергетики и в этом году доставила ИТЭР внутренности своих электромагнитов токамака. центральный соленоид на 1,000 тонн. И есть TAE Energy of California, которая экспериментировала с 1 миллиардом долларов в течение последнего десятилетия и собрала 130 миллионов долларов во время пандемии.

Технология Fusion, возможно, зародилась в лабораториях, финансируемых государством, но ее реализация должна будет зависеть от частного финансирования. Эми Рома, партнер Hogan Lovells в Вашингтоне, округ Колумбия, говорит, что законопроект Build Back Better, который сейчас находится в подвешенном состоянии, включал бы 875 миллионов долларов на усовершенствованную ядерную технологию, но на данный момент отрасли придется довольствоваться новым офисом демонстрации усовершенствованных реакторов в рамках Министерство энергетики, финансируемое недавним Законом об инфраструктуре. Атомная энергетика с нулевым выбросом углерода также выиграет от недавнего указа президента Байдена, призывающего федеральное правительство к 2030 году сократить закупки энергии до нуля. 

Легендарный технологический инвестор Стив Юрветсон, спонсор Commonwealth Fusion, выписавший свой первый чек на исследования в области синтеза 25 лет назад, почти неуверен, что эта долгожданная мечта может скоро стать реальностью. «Есть много скептиков, пока это не будет сделано. Потом говорят, что это очевидно ». 

Ройан из Mithril говорит, что он уже работает над корректировкой своей концепции, чтобы учесть, как будет выглядеть мир, когда синтез станет реальным: «Подумайте о возможностях опреснения воды и производства удобрений. Это коренным образом меняет экономику водных ресурсов в мгновение ока, а значит, и экономику сельского хозяйства ». По его словам, все это часть пути человечества, «чтобы продолжать доказывать, что Мальтус был идиотом». 

БОЛЬШЕ ОТ FORBESНовая атомная энергия: как единорог за $ 600 млн планирует превзойти солнечнуюBy Кристофер Хелман
БОЛЬШЕ ОТ FORBESТихие миллиардеры за американским беспилотником-хищником, убившим иранского СулейманиBy Дениз Чам