Термоядерная энергетика способна изменить энергетические рынки стоимостью в триллионы долларов, но сначала стартапы должны доказать, что их разработки будут работать и не окажутся слишком дорогостоящими. И то, и другое непросто, особенно если учесть, что массивные магниты и лазеры, используемые во многих разработках, должны быть установлены с точностью до миллиметра или лучше.
Стартап Fusion Thea Energy утверждает, что его реактор в стиле пиксель-арт и специализированное программное обеспечение для управления должны быть способны вырабатывать энергию, не требуя такого же уровня совершенства.
«Для начала не обязательно, чтобы всё было идеально, — сказал TechCrunch Брайан Берзин, соучредитель и генеральный директор Thea Energy. — У нас есть способ устранить недостатки на стороне сервера». Такая погрешность может дать Thea преимущество перед конкурентами.
Термоядерные электростанции обещают поставлять в сеть гигаватты чистой энергии, но затраты на материалы и строительство могут сделать их неконкурентоспособными по сравнению с дешёвыми солнечными и ветряными электростанциями. Построив электростанцию и устранив недочёты в программном обеспечении, компания Thea могла бы помочь значительно снизить стоимость термоядерной энергии.
Но сначала компании нужно создать рабочий прототип. Сегодня Thea публикует подробную информацию о своей разработке, в том числе о физических принципах, лежащих в её основе. Стартап предоставил эту информацию исключительно TechCrunch.
Теа разрабатывает уникальный вариант стелларатора — особого типа реактора, в котором используются магниты для придания плазменному топливу нужной формы. Магниты — один из двух основных способов, с помощью которых учёные, занимающиеся термоядерным синтезом, удерживают плазму в нагретом состоянии и удерживают её до тех пор, пока не произойдёт термоядерная реакция. Другой способ, известный как инерционное удержание, предполагает использование лазеров или других сил для сжатия небольших топливных гранул.
Большинство стеллараторов состоят из магнитов, которые выглядят так, будто сошли с картины Сальвадора Дали. Но в конструкции Теи используется дюжина больших магнитов и сотни маленьких, чтобы создать то, что можно назвать «виртуальным» стелларатором.
В типичном стеллараторе магниты сконструированы таким образом, чтобы повторять контуры формы, которая учитывает особенности плазмы и помогает удерживать её в течение более длительного времени, потребляя при этом меньше энергии, чем токамаки, в которых используется ряд магнитов одинакового размера и формы. Однако у стеллараторов есть один существенный недостаток: из-за неправильной формы массовое производство магнитов затруднено.
Поэтому компания Thea спроектировала свой реактор на основе небольших одинаковых сверхпроводящих магнитов, расположенных в виде массивов. Стартап будет использовать программное обеспечение для индивидуального управления каждым магнитом и создания магнитных полей, которые могут воспроизводить волнистую форму стелларатора.
У этого подхода есть несколько положительных сторон. Во-первых, он позволил Thea быстро доработать дизайн своего магнита. По словам Берзина, за последние два года компания вносила изменения в дизайн более 60 раз. “В большинстве компаний, производящих термоядерные технологии, вы имеете дело с магнитами размером с автомобиль, лазером размером с автомобиль или виджетом размером с автомобиль. К сожалению, это означает, что один стоит 20 миллионов долларов и на его изготовление уходит два года ”, - сказал он.
Это также означает, что компания может использовать программное управление для устранения любых дефектов, связанных с производством или установкой магнитов. Чтобы протестировать свою первоначальную систему управления, компания Thea создала матрицу из трёх магнитов, соединённых с датчиками. Система управления, основанная на законах электромагнетизма, работала хорошо. Но компания также хотела посмотреть, как с этой задачей справится искусственный интеллект, поэтому она обучила новый ИИ с помощью обучения с подкреплением.
Команда была удивлена тем, насколько хорошо всё сработало.
«Мы намеренно вносили искажения в массив данных, — сказал Берзин. — Мы намеренно смещали магнит буквально на сантиметр. Было видно, что он сильно отклоняется от нормы. Нам было очень сложно изготовить его настолько некачественно». Команда также протестировала сверхпроводящий материал от пяти разных производителей, а также намеренно бракованный материал. «Каждый раз, когда мы это делали, система управления без нашего вмешательства и поворота ручек могла устранить эти дефекты», — сказал он.
В конструкции реактора Thea под названием Helios будут использоваться два типа магнитов. Снаружи 12 больших магнитов четырёх разных форм будут выполнять основную работу по удержанию плазмы. Они похожи на те, что используются в токамаке — реакторе в форме пончика, который строит компания-конкурент Commonwealth Fusion Systems. Внутри больших катушек 324 круглых магнита меньшего размера будут точно регулировать форму плазмы.
Стартап прогнозирует, что Helios будет вырабатывать 1,1 гигаватта тепла, которое паровая турбина будет преобразовывать в 390 мегаватт электроэнергии по цене ниже 150 долларов за мегаватт-час для первого примера. (Thea считает, что сможет снизить цену до 60 долларов за мегаватт-час после строительства седьмой или десятой электростанции.) Раз в два года реактор будет отключаться на 84 дня для технического обслуживания. Если всё пойдёт хорошо, это будет означать, что коэффициент использования установленной мощности — показатель того, сколько энергии вырабатывается за определённый период времени, — составит 88 %. Это намного лучше, чем у современных газовых электростанций, и почти так же хорошо, как у современных атомных электростанций.
Helios всё ещё находится на стадии разработки концепции. Сначала Thea должна создать Eos — своё первое термоядерное устройство, которое должно подтвердить научную обоснованность концепции. Берзин сказал, что компания объявит о месте строительства Eos в 2026 году и планирует запустить его «примерно в 2030 году».
Параллельно со строительством Eos компания Thea планирует начать работу над Helios. Такой же подход использует компания Commonwealth Fusion Systems при работе над Arc, своей первой коммерческой термоядерной электростанцией, и строительстве Sparc, своей демонстрационной электростанции.
Пока что Берзин с нетерпением ждёт отзывов от сообщества, занимающегося термоядерным синтезом. «Это обзорная статья. За ней последует довольно объёмная работа, которая будет проходить рецензирование и публиковаться, — сказал он. — Сейчас самое время наладить партнёрские отношения, сотрудничество и привлечь конечных пользователей к созданию первого проекта».