Если вы не следили за последними новостями в последние годы, термоядерная энергия становится всё ближе к реальности. В теории, этот утопический источник энергии мог бы обеспечить нас практически неограниченной энергией по требованию, не выделяя углекислый газ или ядерные отходы. Однако на пути есть препятствия. Существующие реакторы используют больше энергии для создания необходимого для инициирования ядерного синтеза высокого тепла и давления, чем они фактически производят. К тому же, эти машины настолько огромны, сложны и строятся из таких экзотических материалов, что даже если бы они производили чистый энергетический выигрыш, их коммерческое использование было бы невозможным. Здесь на сцену выходит компания Zap Energy. Их революционный реактор гораздо проще и дешевле в строительстве, чем любой другой термоядерный реактор. Недавно он достиг огромной температуры плазмы в 37 миллионов градусов Цельсия! Так может ли Zap Energy разблокировать термоядерную энергию?
Давайте начнем с того, что такое синтез и почему так важно достижение этой температуры.
Ядерный синтез — это процесс, который питает Солнце. Солнце состоит в основном из водорода, и в его ядре температура и давление настолько высоки, что столкновения между атомами водорода имеют достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть отталкивающие силы, удерживающие атомы отдельно. Эти столкновения заставляют два атома водорода сливаться в один, больший атом гелия, но поскольку атом гелия чуть легче, чем два атома водорода (так как в его ядре меньше глюонов), этот избыточный вес превращается в энергию и высвобождается. Как заявил Эйнштейн в своём знаменитом уравнении E=MC², небольшое количество массы равно огромному количеству энергии. Это означает, что одна термоядерная реакция высвобождает огромное количество энергии в виде излучения и тепла.
Для примера, если бы вы объединили 17 тонн водорода, выделенная энергия хватила бы, чтобы обеспечить всю Америку энергией на год, оставив после себя только гелий. Без выбросов углекислого газа. Без ядерных отходов.
Современные конструкции реакторов используют либо мощные лазеры, либо огромные сверхпроводящие магниты для нагрева и сжатия водородной плазмы для создания синтеза. Мы не можем воссоздать давления ядра Солнца, поэтому, чтобы компенсировать это, реакторы синтеза должны достигать гораздо более высоких температур. 37 миллионов градусов Цельсия от Zap Energy далеко не самая высокая температура, достигнутая в термоядерном реакторе, но она достаточна для осуществления синтеза внутри реактора.
Ладно, так почему этот реактор такой многообещающий?
В отличие от всех других реакторов, этот не использует огромные и сложные лазеры или сверхпроводящие электромагниты. Вместо этого он использует саму водородную плазму для нагрева и сжатия. Позвольте мне объяснить.
Физика, лежащая в основе реактора Zap Energy, была впервые открыта в Австралии. После шторма был найден полностью смятый по всей длине трубообразный молниеотвод. Оказалось, что эту деформацию вызвала молния. Когда через трубу прошёл огромный электрический ток, создалось магнитное поле, как и в случае любого тока, протекающего через провод. Однако из-за формы пустотелой трубы это магнитное поле тянуло трубу внутрь. Сила молнии создала настолько сильное магнитное поле, что смяла трубу. Это явление известно как Z-щипок.
Идея Zap Energy состоит в том, чтобы построить машину, которая может производить горячую водородную плазму в форме трубы, затем пропустить через эту плазму достаточно сильный электрический ток, чтобы создать достаточно сильный Z-щипок, чтобы с силой сжать горячую плазму и вызвать синтез. Таким образом, нет необходимости в огромных лазерах или сверхпроводящих электромагнитах, которые дороги и крайне неэффективны, что делает достижение чистого энергетического выигрыша ещё более сложным. Вместо этого они могут использовать плазму в качестве электромагнита, что значительно дешевле и потенциально эффективнее, так как это более прямой метод.
Эта идея далеко не нова. Учёные экспериментировали с Z-щипковым синтезом на протяжении десятилетий, но так и не смогли заставить его работать. Плазма не удерживала форму достаточно долго, что приводило к потере эффекта Z-щипка и быстрому охлаждению, делая синтез невозможным.
Но Zap решила эту проблему с помощью гидродинамики. Их реактор эффективно выдувает кольца водородной плазмы, которые текут по цилиндрической камере реактора. Это создаёт явление, известное как стабилизация сдвигового потока (похожее на ламинарный поток), при котором слои движутся с разной скоростью, создавая равномерный и стабильный поток. Гидромеханика известна своей сложностью, поэтому пока всё, что нам нужно знать, это то, что это нововведение достаточно, чтобы плазма сохраняла форму, позволяя Z-щипку нагревать и сжимать плазму достаточно для достижения условий, необходимых для синтеза.
Ладно, так почему это важно?
Возьмём, например, реактор NIF, который использует лазеры для достижения синтеза. Он достиг чистого выигрыша в энергии! Но только в терминах энергии, идущей в водород и выходящей из него. Лазер настолько неэффективен, что общая машина все еще использует гораздо больше энергии, чем производит за счёт синтеза. Токамаки на базе сверхпроводящих электромагнитов сталкиваются с той же проблемой: им нужно поддерживать гигантские электромагниты близко к абсолютному нулю, находясь в нескольких дюймах от плазмы, горячее, чем Солнце, что делает их очень неэффективными. Токамакам также нужно управлять потерями в плазме, и поскольку эти реакторы такие дорогие и сложные в эксплуатации, разработка в этой области проходит очень медленно.
Поскольку реактор Zap Energy не использует лазеры или сверхпроводящие электромагниты, он потенциально может быть врождённо гораздо более эффективным, что делает достижение реального чистого выигрыша в энергии гораздо более лёгкой целью. Кроме того, это делает реактор значительно дешевле, быстрее в строительстве и гораздо проще и дешевле в эксплуатации. Таким образом, разработка протоколов управления плазмой, необходимых для того, чтобы эти реакторы достигли чистого выигрыша в энергии, может произойти гораздо быстрее и за меньшие деньги. Это также означает, что если им когда-либо удастся разработать используемый термоядерный реактор, который производит энергию, его простая и недорогая природа означает, что он мог бы стать жизнеспособным источником энергии, в отличие от всех других термоядерных реакторов, которые, похоже, будут слишком дорогими и медленными в строительстве, чтобы быть жизнеспособными источниками энергии.
Так что, хотя может показаться, что Zap Energy отстает от других термоядерных проектов, которые достигли более высоких температур или даже чистого выигрыша в энергии, не спешите их списывать. Их простой подход может привести к молниеносному и значительному прогрессу в разработке, и они могут быть единственным термоядерным проектом, способным создать продукт, который мы действительно могли бы использовать. Поскольку подход Zap Energy настолько уникален, что путь вперед для них далеко не очевиден. Впереди их может ждать огромное количество невидимых препятствий и тупиковых путей развития. Но с немного удачи и усердной работы Zap Energy действительно могут сделать термоядерную энергию реальностью.