Машина 'дурень', яка обіцяє прризвільний прорив у чистій енергії

Я пам’ятаю, що кілька людей казали, що місце, де зараз знаходиться Proxima, було неможливим, – каже Франческо Скьортіно, співзасновник і генеральний директор Proxima Fusion.

Бути звинуваченим у спробі зробити неможливе – не незвично для вчених та інженерів, які працюють над проєктами з ядерного синтезу в усьому світі.

Врешті-решт, вони намагаються відтворити на Землі реакцію, яка живить Сонце.

Успіх може означати велику кількість, дешевої та безвикидної електроенергії. Але виклики є серйозними, і робочі електростанції ще далекі.

Синтез – це процес злиття ядер водню, що вивільняє величезну кількість енергії.

На Сонці величезні гравітаційні сили допомагають підтримувати реакцію.

Щоб підтримувати синтез тут, на Землі, потрібні надзвичайно високі температури – у багато разів вищі, ніж на Сонці.

Тому паливо (зазвичай комбінація ізотопів водню тритію та дейтерію) нагрівають до стану палаючої плазми, яку потім потрібно контролювати та маніпулювати, щоб ініціювати синтез.

Існує кілька способів це зробити, і Proxima Fusion у Німеччині намагається один, який вважається складним, навіть за екстремальними стандартами індустрії синтезу.

Поширеним підходом до синтезу є будівництво токамака. Це пристрій у формі пончика, який використовує потужні магніти для утримання плазми.

Але компанія Proxima, що базується в Мюнхені, працює над стелларатором. Він також використовує магніти для маніпулювання плазмою, але контейнер реакції має більш складну форму з вигинами та поворотами, що робить його набагато складнішим і дорожчим у будівництві.

Тож чому варто йти цим болісним шляхом?

Ну, якщо проєкт працюватиме, то вигини та повороти стелларатора полегшують контроль над палаючою плазмою, ніж у конкуруючого токамака, – каже Скьортіно.

Порівнюючи обидві системи, він каже, що токамак – це "звір", а стелларатор – "кішечка".

"Стелларатор – це річ, яку об’єктивно дуже важко проєктувати, об’єктивно дуже важко будувати. Але якщо ви це зробите, то це буде дурна машина... як мікрохвильова піч", – каже Скьортіно.

"Дурна машина" Proxima буде стелларатором під назвою Alpha. Вона використовуватиме десятиліття роботи, виконаної Німецьким інститутом плазмової фізики Max Planck Institute for Plasma Physics та його стелларатором W7-X.

Мета Alpha – виробляти більше енергії, ніж вона споживає для роботи, а отримані уроки допомагають проєктувати ще більш просунутий пристрій – електростанцію з ядерного синтезу під назвою Stellaris.

Але спочатку Alpha потребуватиме значних інвестицій, які зараз залучаються. Proxima нещодавно отримала 400 мільйонів євро (£340 мільйонів; $460 мільйонів) від землі Баварія та подає заявку на отримання понад мільярда доларів фінансування від федерального уряду – рішення очікується наступного року.

Proxima змагається з іншими групами, які розробляють технології синтезу – 53 за даними Fusion Industry Association (FIA), яка представляє індустрію синтезу та відстежує розробки.

Один із проєктів, що використовує підхід токамака, – це UK-based Step (Spherical Tokamak for Energy Production).

За підтримки уряду Великобританії, план полягає в тому, щоб побудувати прототип електростанції на місці колишньої теплової електростанції, що працює на вугіллі, у Вест-Бертоні, Йоркшир.

"Токамаки мають перевагу глибокої експериментальної бази, створеної протягом десятиліть. Вони продемонстрували характеристики плазми, близькі до необхідних для електростанції з ядерного синтезу, включаючи роботу з паливом для синтезу", – каже Раян Рамзі, директор з організаційних показників Step та колишній капітан атомного підводного човна HMS Turbulent.

І в цьому типі синтезу дорогі та потужні магніти повинні бути відносно простими у виробництві.

"Вони [токамаки] отримують вигоду з порівняно простішої магнітної геометрії, з меншою кількістю та більш регулярними котушками. Це має реальні наслідки для виробничої придатності, обслуговування та вартості", – каже Рамзі.

Скьортіно добре усвідомлює виклики, які чекають на Proxima. Він "не спить ночами" через те, чи зможе Proxima побудувати магніти зі своїми складними формами з очікуваною швидкістю та вартістю, щоб зробити стелларатор економічно вигідним.

"Перший магніт, який ми виготовимо, буде дуже складним і дорогим. Але чи можемо ми виготовити його швидше, ніж очікують люди, і чи можемо ми знизити вартість?" – запитує Скьортіні.

На їхню користь працює німецька експертиза у виробництві. Наприклад, Скьортіно наводить вражаючу кількість працівників, які можуть працювати на верстатах з ЧПУ – тип комп’ютерно-керованого верстата, який може різати, вирізати або формувати матеріали, включаючи дерево, метал або пластик.

Скьортіно оцінює, що в Німеччині працює 550 000 операторів верстатів з ЧПУ порівняно з 350 000 у всій США.

Це має значення для Proxima, яка використовує дуже дорогий тип сталі у своїх магнітах, який потребує обробки з високою точністю.

Одночасно з підтримкою високого рівня точності, підтримання темпів розвитку має вирішальне значення для Скьортіно.

На W7-X пішло більше десяти років, щоб він почав працювати – він хоче запустити Alpha за третину цього часу.

Тому прототипний магнітний котушка зараз будується, і план полягає в тому, щоб протестувати його наступного року.

Його скручена геометрія робить його одним з найскладніших магнітів у світі, за словами Proxima.

Після завершення тестування Proxima побудує ще 40 магнітних котушок, які встановлять на свою машину Alpha.

Для цього на ранній стадії будується завод з виробництва магнітів.

"У 2028, 2029 роках нам потрібно буде виробляти магніти з шаленою, шаленою швидкістю", – каже Скьортіно.

Робота не обмежується Німеччиною. Скьортіно каже, що по всій Європі є ключові постачальники, що означає, що Європа може бути на передовій майбутньої індустрії синтезу.

"Ми [європейці] пропустили цифрову хвилю, чи не так? Але виявляється, що у нас все ще є люди, які навчаються виробництву", – каже він.

У Step Рамзі наголошує, що індустрія синтезу давно вийшла за межі фізичного експерименту.

"Зараз є реальний імпульс у сфері синтезу, і це слід розглядати як силу, а не як щось, що може розділити. Це не гонка одним шляхом, а набір підходів, які досліджують різні компроміси. Реальне питання зараз полягає не в тому, яка концепція є найбільш цікавою, а в тому, яка може правдиво забезпечити електростанцію."