Стартап по разработке термоядерного реактора General Fusion из Канады завершил очередной раунд сбора инвестиций, в этот раз собрав 65 миллионов долларов. Эти средства пойдут на строительство демонстрационного реактора для испытания технологии. Речь о модели-прототипе, использующей разработку компании — специальную поршневую технологию для сжатия водородной плазмы и инициации в ней контролируемой термоядерной реакции слияния ядер лёгких элементов.
General Fusion — это стартап в области энергетики под патронажем Джеффа Безоса, основателя компании Amazon (Jeff Bezos). Она не единственная частная компания, пытающаяся вывести технологии контролируемого термоядерного синтеза для получения энергии на коммерческую основу. Например, ещё одна компания, работающая в этом же сегменте — Commonwealth Fusion Systems под патронажем Билла Гейтса. В настоящее время в мире активны ещё около двух десятков подобных проектов. Они привлекают средства частных инвесторов и различных исследовательских фондов для реализации того или иного решения в области построения прототипов термоядерных реакторов, которые впоследствии предполагается довести до промышленного внедрения. Как правило, объём доступного финансирования таких проектов колеблется в пределах нескольких сот миллионов долларов, и в их основе лежат несколько своих запатентованных разработок.
Термоядерный синтез — это слияние ядер лёгких элементов (водород и его тяжёлые изотопы — дейтерий и тритий, литий, лёгкий изотоп гелия He3, а также некоторые другие элементы) с выделением энергии. Эти цепные экзотермические реакции самоподдерживаются за счёт образования быстрых нейтронов и протонов, играющих роль «снарядов» для инициирования следующего акта слияния ядер. В конце цепочки реакций получается, как правило, устойчивый изотоп гелия He4. В звёздах эти реакции идут дальше с образованием более тяжёлых элементов, составляющих в конечном итоге и строительный материал планет вроде нашей.
Термоядерные реакции инициируются при высоких температурах, при которых скорость ядер достаточна для преодоления кулоновского (электростатического) отталкивания между ними. Положительно заряженные частицы должны врезаться друг в друга настолько быстро, чтобы преодолеть силу отталкивания между зарядами и сблизиться настолько, чтобы в игру вступили короткодействующие ядерные силы. Для этого необходимы температуры порядка десятков и сотен миллионов градусов. Вещество при таких температурах находится в состоянии плазмы. Термоядерные реакции являются основным источником энергии звёзд, таких, как Солнце: его температура на протяжении нескольких миллиардов лет поддерживается за счёт «сгорания» топлива из водородного газа с постепенным накоплением гелия как результата реакции. В земных условиях этот принцип реализован в водородной бомбе.
Контролируемые термоядерные реакции (управляемый термояд) — это техническая идея получения энергии из практически неисчерпаемых ресурсов, в отличие от энергии, вырабатываемой ядерным реактором за счёт деления ядер тяжёлых элементов — урана и тория, запасы которых на Земле исчерпаемы и невозобновляемы. Такие реакторы задумываются с середины 1950-х годов. Их реализация предполагает создание устройств, позволяющих удерживать нагретую до многих миллионов градусов плазму. Поскольку никакой «сосуд» из земных материалов для этой цели не годится, исследователи прорабатывают несколько разных принципов удержания водородной плазмы в пространстве. Используется или удержание плазмы сильным магнитным полем (принцип токамака и подобных решений), или инерциальное удержание (импульсный реактор) — очень кратковременный нагрев плазмы для инициации термоядерного микровзрыва.
General Fusion выбрала нестандартное гибридное технологическое решение. Для удержания водородной плазмы в полости реактора предполагается использовать магнитное поле, как в большинстве токамаков (принцип магнитного удержания), однако полость будет сферически симметричной и окружённой вращающимся вихрем жидкого металла. Внешняя часть сферы будет окружена несколькими сотнями поршней массой 100 кг каждый, которые будут непрерывно впрыскивать жидкий металл, создавая волны давления для нагрева и сжатия плазмы внутри (фактически — это принцип инерциального удержания плазмы). Предполагается, что термоядерная реакция будет инициирована при достаточном сжатии водородной плазмы. В этом отношении принцип действия устройства напоминает поршневой дизельный двигатель с рабочим веществом из водорода. Для достижения требуемого эффекта требуется непрерывная согласованная и высокоточная работа системы поршней: точность синхронизации должна составлять около 10 микросекунд. По утверждению специалистов General Fusion, они уже создали полноразмерную и функциональную модель поршней и убедились в том, что суммарная мощность такой системы достаточна для достижения рабочего режима реактора. Разработка защищена несколькими коммерческими патентами. В разработках среди крупных исследовательских центров участвуют Лос-Аламосская Национальная лаборатория и Microsoft (компания помогает в разработке платформы машинного обучения для обработки данных плазменных экспериментов).
Завершение очередного раунда сбора средств вместе с предыдущими раундами финансирования, в том числе от канадского государственного фонда поддержки фундаментальных исследований (Strategic Innovation Fund), позволяет объявить о формальном старте проектных работ. Всего стартап собрал около 200 миллионов долларов частных и государственных инвестиций. Запуск демонстрационной термоядерной установки пока планируется в районе 2025 года — в один год с планируемым окончанием строительства конкурента — большого экспериментального реактора ITER в рамках монструозного международного проекта, сопоставимого по масштабам с Большим Адронным Коллайдером.
С середины 1950-х годов, то есть со времени создания теории управляемой термоядерной реакции, в мире построено около 300 экспериментальных термоядерных установок в разных странах, использующих разные принципы работы. Ни одна из них, несмотря на все усовершенствования, не доросла до коммерчески окупаемого состояния, или хотя бы до реальной выработки энергии (в количестве ощутимо большем, чем требуется для работы самого реактора). Для почти каждого из этих проектов во время его разработки инженеры оценивали сроки возможного коммерческого внедрения прототипа примерно в двадцать лет. Со временем стало понятно, что на пути промышленного внедрения этих технологий стоят не просто инженерные сложности, и дело не ограничивается усовершенствованием и масштабированием модели-прототипа. Так, по-видимому, речь идёт о достижении технологического предела цивилизации сразу по нескольким параметрам. Это неустойчивость плазмы, требующая исключительного усложнения конструкции ловушек; проблема радиационной стойкости материала стенок реактора, серьёзные вопросы экологии (захоронение значительно бо́льших объёмов радиоактивных материалов по сравнению с обычными АЭС: радиоактивным становится не только топливо, а все элементы конструкции реактора из-за нейтронного облучения) и т. д. И наконец, есть фундаментальная проблема усложнения конструкции устройства настолько, что его сложность как целого превосходит современные возможности проектирования.
На сегодня наиболее значимым и реализуемым проектом управляемого термоядерного синтеза является Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) на юге Франции — международный проект, в котором участвуют страны ЕС (как единый участник), США, Россия, Япония и ещё несколько стран. Он задуман ещё в 1980-х годах, причём строительство самой установки началось только в 2010 г. Со временем ожидаемая стоимость инвестиций всё росла и сегодня составляет около 25 миллиардов долларов, а сроки пуска сдвигались: на сегодня говорят о 2025 годе при первоначальных планах на 2018 г. Даже в случае удачного запуска этот реактор не будет производить энергию: он является всего лишь прототипом для последующего проектирования первых демонстрационных термоядерных установок, называемых DEMO (Demonstration Power Plant), и уже они станут, в свою очередь, моделью для разработки коммерчески пригодных ядерных реакторов. Оптимистические прогнозы появления первых коммерческих токамаков указывают на 2060-е годы.
На этом фоне небольшие коммерческие стартапы частных компаний стоимостью даже в сотни миллионов долларов могут выглядеть авантюрой. Контролируемый термояд, в котором пробуют себя негосударственные исследовательские компании, часто иронично сравнивают со «Святым Граалем». Тем не менее их разработчики надеются опередить ITER и достичь успеха за счёт разработки компактных относительно дешёвых моделей, которые смогут окупиться хотя бы как исследовательские проекты. Специалисты определяют горизонт возможной коммерческой реализации разработок концом 2030-х годов: мы опять видим «знакомые» с шестидесятых сроки в двадцать лет. Однако потенциальный выигрыш здесь обещает быть слишком высоким, поэтому инвесторы не игнорируют такие рисковые проекты. General Fusion — это только одно из нескольких технологических решений контролируемого термояда, которые пытаются реализовать на практике. Такие разработки, даже для неудачного решения, всё равно дают «побочный» выход в виде интересных технических решений и в любом случае — являются находкой для астрофизиков, расширяя наше понимание физики плазмы и, следовательно, процессов внутри звёзд.
