„Синтезът е технологично най-сложният подход към производството на енергия, който човечеството някога е предприемало“, казва физикът Робърт Федосеевс.
Генерирането на почти неограничена, чиста, въглеродно неутрална енергия чрез ядрен синтез – визия, която изглежда постоянно извън обсега на възможното – направи значителни крачки към реалността през последните години.
След серия от важни научни пробиви във физически лаборатории, стремежът към синтез вече се разпространява и в частния сектор, където редица стартъпи се съревновават да направят процеса икономически жизнеспособен и печеливш. Ако успеят, наградата би била изобилен източник на практически въглеродно неутрална енергия, която не заема обширни територии, както слънчевите панели и вятърните турбини. Освен това, за разлика от днешните ядрени реактори, основани на деление, енергията от синтез създава относително малко радиоактивни отпадъци.
Тритият и деутерият – изотопи на водорода – са елементите, използвани в синтеза, за разлика от тежки елементи като уран и плутоний, които се използват при делението. Крайните продукти от синтезната реакция са хелий и неутрони.
Освен че създава по-малко отпадъци, ядрената синтез не носи риска от неконтролирани верижни реакции като тази в Чернобил, казват учените. При спиране на работата на реактор за деление, той може да продължи да генерира значително количество енергия, което е възможно да доведе до топене на активната зона на реактора, обяснява пред Epoch Times Жан Барет – почетен професор по физика в Университета „Макгил“.
„При ядрен синтез, ако изключиш системата, процесът спира; няма остатъчна радиация.“
Макар потенциалните ползи от синтеза да са многобройни, овладяването му за производство на електричество остава голямо предизвикателство.
„Основният процес е добре известен – това е същият процес, който захранва звездите“, казва за Epoch Times Робърт Федосеевс, професор по електротехника в Университета на Албърта и специалист по лазерни технологии. „Но синтезът е технологично най-сложният подход към производството на енергия, който човечеството някога е предприемало.“
Вътре в звездите огромната гравитация създава интензивна топлина и налягане, което кара няколко водородни ядра да се сливат в едно хелиево ядро. В този процес има малка загуба на маса, която се преобразува в огромни количества енергия според известното уравнение на Алберт Айнщайн: E = mc².
На Земята, където няма толкова силна гравитация, предизвикателството е не само да се създаде постоянен синтез, но и да се направи така, че процесът да не изисква повече енергия, отколкото произвежда. През декември 2022 г., Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ в Калифорния преодоля този праг. С помощта на около 1,000 учени от САЩ и други страни, лабораторията създаде синтезна реакция, която за първи път произведе повече енергия, отколкото консумира.
Този успех беше постигнат чрез насочване на 192 лазерни лъча към миниатюрна капсула с деутерий и тритий, за да се компресира и нагрее до температури между 50 и 100 милиона градуса Келвин, докато не протече сливане. Крайните продукти бяха хелиев йон, неутрон и енергия.
„Те създадоха много мегаджаули синтезна енергия със само два мегаджаула вложена лазерна енергия“, каза Федосеевс. „Това е научната цел, към който хората се стремят през последните 50-60 години, за да докажат поне в лабораторни условия, че е възможно да се генерира повече енергия, отколкото се влага.“ „Въпросът вече не е дали синтезът работи, а как технически можем да го постигнем по устойчив начин като източник на енергия.“
Преминаване от лабораторни към функциониращи реактори
Преминаването от еднократна, наносекундна реакция в лаборатория към надеждно и икономично производство на електроенергия е това, върху която фокусират своето внимание учени, инженери и инвеститори по целия света.
„Ние сме много, много далеч от работещи реактори“, казва Барет. „Необходимо е успех в много, много направления. Не е само едно нещо, което липсва. В момента липсват много неща, които трябва да заработят, за да се създаде ефективен реактор.“
Първото предизвикателство е как да се създадат устойчиви реакции чрез синтез, за да се генерира битова електроенергия. Развитието в тази област върви по два пътя: лазерна инерционна синтезна реакция (използван от Националното съоръжение за запалване, NIF), и магнитна синтезна реакция, която използва магнитно поле за симулиране на интензивната гравитация в звездите.
Лазерната синтезна реакция, която Федосеевс описва като „микроимплозия в вакуумен съд, задвижвана от ултра-къс лазерен импулс“, води по отношение на производството на нетна енергийна печалба. Горивните мишени са внимателно подредени, а лазерите са насочени прецизно към пространство с ширината на човешки косъм. След това лазерите се активират веднъж преди да трябва да бъдат презаредени и насочени наново. Процесът позволява около една реакция на ден. За да стане приложим за производство на електроенергия, лазерите трябва да се активират поне 100 пъти в секунда, казва Барет, и въпреки че решаването на този и други проблеми не е невъзможно, „в момента те все още са в много изследователска фаза.“
Иноваторите в тази област работят за разработването на по-мощни лазери, които могат да работят с много по-висока скорост, за да произвеждат енергия непрекъснато. Доклад от август в списание Physics Today, написан от ядрените учени Стефано Атцени и Дебра Калахан, отбелязва обаче, че лазерната синтезна реакция на NIF е проведена с лазерна технология на преди 30 години и че напредъкът в лазерната технология вече е толкова голям, че лазерният синтез продължава да се разглежда като потенциално търговски приложим.
За разлика от лазерния синтез, магнитният синтез разчита на мощно магнитно поле за създаване на необходимите условия за синтез.
При магнитния синтез, машина наречена токамак (дизайн, възникнал в Съветския съюз през 50-те години на миналия век) използва магнитни полета за задържане, компресиране и нагряване на плазма в реактор с форма на геврек, наречен торус. След като синтезът се осъществи, продуктът е хелиев йон и неутрон. Тези неутрони могат да преминат през магнитното поле и се улавят от „одеяло“ извън стената; това е основният източник на топлина, която в крайна сметка би генерирала електроенергия. През десетилетията след това изобретение учените работят върху развиване на все по-силни магнити, за да генерират повече енергия за по-дълги периоди.
През 1982 г. в Принстънската лаборатория по плазмена физика е създаден тестовият реактор за токамак синтез (TFTR), който поставя редица световни рекорди, включително нагряване на плазмата до 510 милиона градуса по Целзий, много над 100 милиона градуса, необходими за търговски синтез. Такива температури надвишават тези в центъра на Слънцето, които НАСА определя на около 15 милиона градуса по Целзий.
През 1994 г. TFTR генерира рекордни 10.7 милиона вата контролирана синтезна енергия, достатъчна да захрани повече от 3000 домакинства.
Англия поддържа токамак, наречен Съвместен европейски торус (JET), който също успява да генерира рекордни количества синтезна енергия. Освен това, учени от 35 страни си сътрудничат по токамака ITER във Франция (който ще бъде най-големият свръхпроводящ магнит, създаван някога), като е планирано да започне работа през 2034 г.
„Той ще произведе поле от 13 тесла, еквивалентно на 280 000 пъти земното магнитно поле“, се казва в доклад на Министерството на енергетиката на САЩ. Докато лазерният синтез в момента води по отношение на демонстрирания енергиен добив, магнитният синтез може да има по-голям потенциал за генериране на непрекъснат енергиен поток, необходим за битова електроенергия.
„Токамаците могат да поддържат плазмени токове на ниво мегаампер, което е еквивалентно на електрическия ток в най-мощните светкавици“, заявява Министерството на енергетиката на САЩ. „Учените, занимаващи се със синтезна енергия, вярват, че токамаците са водещата концепция за задържане на плазмата в бъдещите синтезни електроцентрали.“
Китай също не остава назад и е изградил Експерименталния напреднал свръхпроводящ токамак в Хъфей, който работи успешно.
Предизвикателствата на „стената“
Наред с опитите за разработване на търговски жизнеспособни реакции на ядрено сливане, също толкова голямо предизвикателство е да се намери начин за изграждане на функционална, физически устойчива структура, която да извлича и задържа енергия от реакциите.
„Имахме идеята да ‘затворим слънцето в бутилка’, и се оказа, че трудната част не е създаването на слънцето“, сподели Ерик Емди, изследовател-физик от Принстънската лаборатория за плазмена физика, пред Epoch Times. „Създадохме плазми с много висока температура, оптимални за настъпване на сливането. Трудната част е създаването на бутилката.“
В реактора токамак, плазмата с деутерий-тритий (DT), задържана в магнитно поле, е обградена от физическа стена, наречена плазмено ориентиран компонент (PFC), която трябва да издържи на топлина от 100 милиона градуса по Целзий, генерирана от реакцията.
Подобно на слънчевите изригвания, част от плазмата избягва от магнитното поле по време на реакциите, застрашавайки стената на съда. Освен това, материалите от стената могат да взаимодействат с плазмата, като я разреждат и намаляват способността на деутерия и трития да се сливат.
„Стигнахме до момента, в който преминаваме от експерименти към прототипи на реактори, но все още трябва да определим как да осигурим приемливи взаимодействия между плазмата и материалите“, каза Емди. „Как да създадем дизайн за стените на съда, който да бъде икономичен? Какви материали можем да използваме, които са най-подходящи за плазмата?“
Изследванията на Емди се фокусират върху материалите за PFC, които биха могли да решат тези проблеми и да отклонят топлината, за да предотвратят повреждането на реактора. Той проучва използването на течни метали, като течен литий, който би могъл да тече по стената на токамака и да разсейва топлината.
Освен проблемите с реакцията и задържането, производството на гориво за сливане също среща свои предизвикателства, които се усилват от необходимостта да се генерира в големи количества.
Атцени и Калахън пишат, че горивните мишени за лазерното сливане в момента се създават ръчно в процес, който изисква много труд. За да стане тази технология търговски жизнеспособна, обаче, милиони горивни мишени трябва да се използват в реактора всеки ден, а способността за масово производство на DT гориво все още не е демонстрирана.
Деутерият е в изобилие и може да бъде намерен в морската вода, но тритият трябва да бъде „отглеждан“ от елементи като лития. При магнитното сливане, тритият може да бъде произведен вътре в токамака. „За да направите това, трябва да имате горивен цикъл, при който неутроните от вашата синтезна енергия се улавят в лития, за да произведат тритий, след което трябва да извлечете трития и да го използвате като гориво“, обясни Федосеевс. „Така че има редица подробности, които все още са сериозно предизвикателство, но които, що се отнася до науката, изглеждат решими, въпреки че никой досега не го е направил в мащаба, необходим за реактор.“
Инвестиционният капитал нараства
Още един ключов елемент за развитието на електричество, базирано на ядрения синтез, е парите. Тук обаче има основания за оптимизъм.
През последните години се наблюдава значително увеличение на стартъп компаниите, които се опитват да разработят комерсиален ядрен синтез. Често те са свързани с университети, ангажирани в изследвания на синтеза, като MIT и Принстън, и си сътрудничат с академичните среди в научноизследователска и развойна дейност.
Много от тях са получили държавни субсидии. През май 2023 г. Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) обяви 46 милиона долара в грантове за развитие на комерсиален ядрен синтез, разпределени между осем компании в седем щата. Някои от бенефициентите са Commonwealth Fusion Systems, Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc., и Zap Energy Inc.
„В рамките на пет до десет години, осемте получатели на грантове ще разрешат научни и технологични предизвикателства, за да създадат проекти за пилотна централа за ядрен синтез. Тя ще помогне за привеждането на синтеза както към техническа, така и към комерсиална жизнеспособност“, заяви DOE.
През юни DOE обяви своята „Стратегия за енергия от ядрен синтез 2024“, която ще осигури допълнителни 180 милиона долара за развитието на електричество, базирано на ядрен синтез.
„Развитието на енергията от ядрен синтез като чист, безопасен и изобилен енергиен източник се превърна в глобална надпревара, а САЩ ще останат начело“, заяви заместник-секретарят на DOE Дейвид Търк в изявление.
В същото време, частният инвестиционен капитал в ядрения синтез се е удвоил през последните две години, достигайки общо почти 6 милиарда долара към 2023 г., според EnergyWorld.
Миналата година, стартъпът Helion Energy, базиран в щата Вашингтон, подписа споразумение с Microsoft за доставка на 50 мегавата електричество, базирано на ядрен синтез, до 2028 г.
„Няма съмнение, че все още имаме много работа пред нас, но сме уверени в способността си да доставим първото в света съоръжение за електроенергия от ядрен синтез“, заяви съоснователят и изпълнителен директор на Helion Дейвид Къртли.
Докато инвеститорите изразяват амбиции, че комерсиалният синтез може да стане реалност в рамките на десетилетие, много вътрешни лица виждат по-дълъг път напред.
„Ако могат да поддържат този темп [на инвестиции], тогава мисля, че сме на път да видим демонстрации до средата на 2030-те години и надявам се инженерни реактори до началото на 2040-те“, каза Федосеевс.
Емди е по-предпазлив: „Бих казал, че оптимистичните предположения за снабдяване на електрическата мрежа с енергия от синтез са може би 2040-2050 година“, каза той. „Но по-консервативните оценки, които лично аз смятам за по-реалистични, са за 60-те или 70-те години за 21 век.“
