Термоядерная энергетика должна изменить мир: при чем тут Джефф Безос и майонез

На фоне российского вторжения в Украину и энергетического кризиса мир медленно возвращается к атомной энергетике – новые энергоблоки строятся, в частности, в Европе и США. Однако есть еще один способ получения энергии, гораздо экологичнее и мощнее, чем традиционные АЭС – это термоядерная энергетика.

Единственная большая проблема термоядерной энергетики в том, что до сих пор отсутствует реактор, который мог бы производить коммерческую электроэнергию. До его запуска – еще десятки лет. Но ученые и бизнес неустанно работают над созданием такого реактора несмотря на все кризисы.

Об успехах и неудачах на пути к термоядерному синтезу – далее в материале 24 Канала.

Стартапы, Безос и государства: какие есть проекты по созданию термоядерного реактора

Как и в других областях, существуют масштабные проекты, финансируемые государствами, или же это частные стартапы. Среди крупных – уже упомянутый ITER, участниками которого являются Индия, ЕС, Китай, США, Япония и еще ряд стран. А еще – объявленный британским правительством в 2022 году "Сферический токамак для производства энергии" (STEP) в Вест-Бертоне в Ноттингемшире. На этом демонстрационном реакторе планируют запустить выработку электроэнергии до 2040-х годов – ее будут поставлять в британскую электросеть.

Читайте также Атомный ренессанс: как в США и ЕС возвращаются к ядерной энергетике и что делать Украине

В то же время в Великобритании действует кластер термоядерного синтеза Fusion Cluster в Калхэме, графство Оксфордшир. С момента основания в 2021 году кластер расширился с нескольких участников до более 200.

Токамак / Визуализация ITER

В Канаде компания General Fusion Inc., имеющая среди спонсоров основателя Amazon Джеффа Безоса, привлекла 20 миллионов канадских долларов (14,6 миллиона долларов США) от двух канадских государственных учреждений, сообщал Bloomberg. Цель компании – создать технологию для коммерческого термоядерного реактора.

Канадские ядерные лаборатории и банк развития бизнеса Канады внесли по 10 миллионов канадских долларов в раунд серии F компании, расположенной в Британской Колумбии. В целом General Fusion привлекла более 440 миллионов канадских долларов, из которых около 75% – от частных спонсоров, в частности от Безоса.

Где можно применить термоядерную реакцию

Кроме непосредственно энергетики, термоядерная реакция является перспективной еще для нескольких сфер:

• транспорт;
• медицина;
• промышленность;
• ядерные отходы.

В транспорте можно использовать магнитогидродинамические (МГД) приводы, над которыми работают еще с 1950-х годов. В них электрически заряженную жидкость используют для движения транспортного средства. Преимущество этой технологии в том, что она не имеет трения и движущихся частей, а значит не изнашивается.

Особенно привлекательна эта технология для морского транспорта, поскольку морская вода является гораздо лучшим проводником, чем пресная. Поскольку МГД-приводы бесшумные, они должны значительно снизить шумовое загрязнение, негативно влияющее на морскую среду. В 1990-х годах японская компания Mitsubishi построила первый в мире прототип МГД-корабля – Yamato 1. К сожалению, программу закрыли, поскольку максимальная скорость судна составляла всего 15 км/ч. Однако новые технологии должны решить эту проблему.

Yamato 1 / Фото jpellgen, Flickr

Первые исследователи атомной отрасли в 1930-х годах обнаружили, что элемент бор может реагировать с нейтронными частицами для расщепления на литий и гелий. В 1936 году ученый Гордон Лочер из Института Франклина в Пенсильвании обнаружил потенциал этой реакции для уничтожения раковых клеток. Литий и гелий выбрасывают энергию в диапазоне примерно 5 – 9 микрометров, что является размером типичной раковой клетки. Этот выброс энергии разрушает раковую клетку.

Задача современной технологии – создать компактные ускорители частиц, которые можно было бы использовать для генерации сильно сфокусированных пучков нейтронов и таким образом уничтожать раковые клетки. В Великобритании уже планируют установку экспериментальных аппаратов от американской компании TAE Technologies в университетских больницах Бирмингема и больницы Университетского колледжа Лондона.

К теме Атом вместо угля и газа: как Билл Гейтс строит свою АЭС в США и при чем здесь Россия

Побочная технология от термоядерной энергетики может пригодиться и в строительстве. Одним из способов запуска термоядерного синтеза является использование лазеров для сжатия и нагрева водородного топлива. В начале 2000-х годов исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, физик Маркус Рот и его коллеги, обнаружили, что направляя лазеры на тонкую фольгу, частицы из фольги можно ускорить до огромных скоростей.

Маркус Рот / Фото Мартины Рот, университет Дармштадта

В 2021 году Рот основал компанию Focused Energy в немецком Дармштадте. Ее цель – создание лазерной системы, способной ускорять пучок нейтронов с интенсивностью, что в 100 раз превышает имеющиеся технологии. Этот пучок можно создавать для получения "рентгеновского" изображения внутри плотных материалов. Компания ведет переговоры со строительными предприятиями для использования технологии для проверки бетонных сооружений и мостов на признаки коррозии.

Еще один проект Focused Energy Рота – контракт с правительством Германии на создание первого лазерного источника нейтронов для исследования контейнеров для ядерных отходов. После закрытия последней АЭС в 2023 году Германия должна решить проблему ядерных отходов, накапливавшихся десятилетиями. Система визуализации от Focused Energy должна помочь определять содержание бочек с отходами и их состояние.

Я верю, что в конце концов термоядерный синтез изменит правила игры, подобно паровой машине. Мы сможем сделать многое в нашем обществе, что раньше было невозможным. И это начнется с уборки большого количества беспорядка от промышленной революции,
– приводит The Guardian слова Маркуса Рота.

При чем здесь майонез

В августе медиа распространили новость о том, как ученые использовали майонез для исследования термоядерной реакции. Авторы этого эксперимента – Ариндам Банерджи, профессор машиностроения и механики из колледжа Россина университета Лихай в Пенсильвании, и его команда.

К теме Ученые изучили проблему стабильности ядерного синтеза с помощью․․․ майонеза

Стоит объяснить, что термоядерный синтез – это процесс, который запускает реакцию ядерного синтеза путем быстрого сжатия и нагрева емкостей, наполненных топливом, изотопами водорода. Под воздействием высоких температур и давления эти капсулы плавятся и образуют плазму, которая может генерировать энергию.

В этих крайних значениях (температуры) говорится о миллионах градусов Кельвина и гигапаскалях давления, что является имитацией условий на Солнце. Одна из главных проблем, связанных с этим процессом, заключается в том, что состояние плазмы формирует гидродинамические нестабильности, которые могут уменьшить выход энергии,
– приводит Phys.org цитату ученого.

В своей первой статье на эту тему еще в 2019 году Банерджи и его команда рассмотрели вопрос нестабильности, известный как "нестабильность Рэлея-Тейлора". Она возникает в материалах различной плотности.

"Мы используем майонез, потому что он ведет себя как твердое вещество, но когда подвергается градиентному давлению, то начинает течь", – объясняет Банерджи.

Использование соуса также позволяет отказаться от условий высокого давления и температур.

Для эксперимента команда Банерджи использовала специально изготовленное уникальное вращающееся колесо для имитации потока плазмы. Как только ускорение достигло и пересекло критическое значение, майонез начал течь. Один из выводов, которые ученые получили, – это то, что майонез прошел несколько фаз изменений.

Как и в случае с обычным расплавленным металлом, если вы нагрузите майонез, он начнет деформироваться, но если вы снимете напряжение, он вернется к своей первоначальной форме. Поэтому есть эластичная фаза, за которой следует стабильная пластическая фаза. Следующая фаза – когда он начинает течь, и здесь возникает нестабильность,
– говорит Банерджи.

Понимание этого перехода должно помочь ученым определить, когда может возникнуть нестабильность. Поэтому можно научиться контролировать состояние плазмы, чтобы она оставалась в стабильной пластической фазе. Также опыт должен помочь создать дизайн капсул для топлива таким образом, чтобы они никогда не становились нестабильными.

Однако важно то, что усилия команды Банерджи должны быть совмещены с результатами других исследователей.

Мы – еще один винтик в этом гигантском колесе ученых, и все мы работаем над тем, чтобы ядерный синтез стал дешевле и доступнее,
– отмечает ученый.

Объединив усилия, ученые из государственных проектов и стартапов могут дать человечеству за несколько десятков лет неисчерпаемый источник энергии звезд.