В началото на януари тази година Окръжният съвет на Оксфордшър в Англия даде зелена светлина за строителството на нова сграда близо до село Кълъм.

Инвеститорът е канадската компания General Fusion, а в сградата ще се помещава нейната програма за демонстрация на ядрен синтез - прототип в мащаб седем десети от размерите на потенциален комерсиален реактор.  

Фирмата избира именно Кълъм, защото там се намира и JET (Joint European Torus) - експериментален термоядрен реактор, открит през 1983 г. Това означава, че има много местни таланти, които да бъдат наети.

General Fusion не е сама в тези опити. На 10 февруари британската Tokamak Energy също обяви плановете си за изграждане на прототип на реактор за ядрен синтез, отново в Кълъм. През 2024 г. към тях ще се присъедини и реакторът Machine 4 на друга британска компания - First Light Fusion.

Междувременно, отвъд океана, в Масачузетс, САЩ, Commonwealth Fusion Systems вече изгражда в Девънс, западно от Бостън, полумащабен прототип, наречен SPARC.

На западното американско крайбрежие, в град Еверет, щата Вашингтон, Helion Energy изгражда прототип, наречен Polaris, а в Лос Анджелис TAE Technologies работи върху собствената си машина Copernicus.

Тези шест фирми, както и 36 други, идентифицирани от браншовата организация Асоциация по термоядрен синтез (Fusion Industries Association), се надяват да "яхнат" вълната на зелената енергия и прехода към бъдеще без въглерод.

Те смятат, че могат да успеят там, където други до този момент са се проваляли - да пренесат термоядрения синтез от лабораторията в електропреносната мрежа, пише The Economist. 

Надеждите им са, че това може да стане с достатъчно по-компактни и по-евтини реактори от този на междуправителствения гигант ITER, който в момента изгражда своите мощности в Южна Франция. Цената му може да надхвърли 65 милиарда долара. 

Кои са кандидатите?

Оптимизмът на новите играчи в сектора се основава на използването на технологии и материали, които не са налични в миналото, а също и на по-простия дизайн. 

Някои от компаниите в списъка на Асоциацията по термоядрен синтез все още са стартиращи, докато други, като General Fusion, Tokamak, Commonwealth, Helion и TAE, вече са набрали инвестиции за милиарди долари. 

Графиците на компаниите, които работят в тази сфера, са идентични. Те вече изграждат прототипи, от които се очаква да са много близки до бъдещите комерсиални предложения.  

Става въпрос за малки електроцентрали, предимно с мощност между 200 и 400 мегавата, способни да доставят електричество към мрежата. За повечето фирми стремежът е те да бъдат готови в началото на 2030 г.

Съществува ли машина, която може да работи като слънцето?

Идеята за овладяване на процеса, който захранва слънцето, датира почти от неговото откриване и разбиране през 20-те и 30-те години на миналия век. Той работи чрез сливането на протони от ядрата на водородните атоми, за да се образуват хелиеви ядра (4He) , известни още като алфа частици.

Тази реакция дава нещо по-малко от сумата на нейните части, тъй като една алфа частица е по-лека от четири свободни протона. Но липсващата маса не изчезва, а се трансформирана в енергия под формата на топлина.

Това откритие звучи обещаващо от технологична гледна точка, но скоро става ясно, че осъществяването на процеса по начина, по който го прави слънцето, е непосилна задача.

"Убеждаването" на ядрата да се слеят изисква топлина, налягане или и двете. Налягането намалява пространството между ядрата, насърчавайки ги да се срещнат, а топлината ги кара да се движат достатъчно бързо, така че когато се срещнат, те могат да преодолеят взаимното си електростатично отблъскване, известно като Кулонова бариера.

В този момент започва да действа феноменът, наречен ядрена сила, но само на къси разстояния. Ядрената сила държи протоните и неутроните заедно, за да образуват ядра, така че, след като бариерата на Кулон бъде пробита, бързо се образува ново и по-голямо ядро.

Температурата, при която се случва слънчевият синтез, е изключително висока (15.5 милиона градуса по Целзий), но е постижима за инженерите. Експерименталните реактори могат да поддържат до 100 милиона градуса и има надежди, че биха могли да достигнат още по-висока температура.

Но необходимото налягане от 250 милиарда атмосфери засега е трудно постижимо. Освен това суровината за слънчевия синтез е много трудна за управление.

Първата стъпка от създаването на хелиевите ядра - сливането на два отделни протона заедно, за да се образува тежък изотоп на водорода, наречен деутерий, отнема средно 9 милиарда години.

Това, което инженерите предлагат, е "имитация" на слънчевата реакция. Обичайният подход – който е възприет от General Fusion, Tokamak Energy, Commonwealth Fusion и First Light, както и правителствени проекти, като JET и ITER – е да се започне с деутерий, който да се слее с още по-тежка (и радиоактивна) форма на водорода, наречена тритий (протон и два неутрона) за образуване на 4He и неутрон.

Директното сливане на деутериеви ядра, въпреки че понякога се извършва при тестови прогони, притежава само една хилядна от ефективността на ядрения синтез. 

Освободената мощност се проявява като кинетична енергия на реакционните продукти, като 80% от нея се завръща в неутрона. Идеята е топлината да се улавя чрез прихващане на неутроните в абсорбиращо "одеяло", което да се използва за генериране на пара и производство на електричество. 

Какви са различните варианти? 

Реакторите, базирани на ядрения синтез, ще могат да произвеждат трития, от който се нуждаят (защото той не се среща в естествено състояние), като включат в одеялото и специален изотоп на лития, който реагира с неутрони, за да генерира тритий и алфа частици.

Деутерият не е проблем, тъй като дна на всеки 3200 водни молекули го съдържа.

Не всички компании обаче поемат по този път. Helion и TAE предлагат версии на това, което е известно като неутронен синтез.

Предложението на Helion е да се започне с 3He (два протона и неутрон) - лек изотоп на хелия, който е междинен етап в слънчевата реакция. Но вместо да слее две от тях, както се случва на слънцето (получавайки 4He и два протона), той ги слива един по един с ядрата на деутерия, за да произведе 4He и протон.

След това 3He ще бъде "допълнен" чрез промяна на условията, за да се насърчи странична реакция с два деутерия.

TAE предлага нещо още по-интригуващо. Компанията използва като "гориво" бор (пет протона и шест неутрона) и обикновен водород, като и двата се намират в изобилие. Когато те се слеят, резултатът се разпада на три алфа частици.

Всъщност, TAE първоначално означава Tri-Alpha Energy. Проблемът е, че за да работи задоволително, бор-протонният термоядреен реактор ще трябва да генерира не 100 милиона, а 1 милиард градуса по Целзий.

Дори при сливането на деутерий-тритий има много начини за насърчаване на ядрените събирания. Целта е да се създадат условия, които отговарят на т. нар. Критерий на Лоусън. Тъй е кръстен на физика Джон Лоусън, който го публикува през 50-те години на миналия век.

Лоусън осъзнава, че за да се постигне устойчиво генериране на електроенергия, е необходимо "жонглиране" с температурата, плътността и времето, за което реакцията може да бъде удължена.

Това триединство поражда стойност, наречена троен продукт, който, ако е достатъчно висок, води до „запалване“, при което реакцията генерира достатъчно енергия, за да се поддържа.

Силата на поничката

Най-разпространеният дизайн на реактора за ядрен синтез се занимава именно с температурата. Изобретен е в СССР през 1958 г. и се нарича токамак (от руски - "тороидальная камера с магнитными катушками").

Той замества два предишни подхода, защото предлага по-добър контрол върху деутериево-тритиевата плазма, използвана като гориво. Плазмата е газоподобна течност, в която атомните ядра и електроните са разделени. 

Тъй като частиците на плазмата са електрически заредени, магнитите могат в комбинация да контролират поведението им - да ги задържат и нагряват до точката, в която ядрата ще се слеят.

Плазмата обаче трябва да се държи далеч от стената на реакционния съд. Ако осъществи контакт, моментално ще се охлади и сливането ще спре. 

Дизайнът на Tokamak Energy усъвършенства съветските прототипи, които били с форма на поничка, и изглежда по-скоро като ябълка с ядро. През 80-те години на миналия век този дизайн е доказан като по-ефективен.

Изчислението е направено от Алън Сайкс, който тогава работи върху JET и е един от основателите на Tokamak Energy.   

Ефективността и компактността на сферичното оформление са значително подобрени чрез използване на високотемпературни свръхпроводящи ленти за намотките.

Те не оказват съпротивление на преминаването на електричество и следователно консумират малко енергия. Такива ленти вече се предлагат в търговската мрежа от няколко доставчици.

Commonwealth Fusion също използва високотемпературни свръхпроводници в своите магнити. И въпреки че неговият токамак ще бъде по-скоро конвенционална поничка, отколкото ябълка с ядро, той също ще бъде сравнително компактен.

Поне толкова важно, колкото и магнитите, е другото подобрение, което двете фирми внасят в устройството - контрол на плазмата. Системата на Tokamak Energy, например, се управлява от контролна зала, която прилича на снимачната площадка на филм за Джеймс Бонд.

Софтуерът е в състояние да проследява поведението на плазмата толкова бързо, че може да променя условията на всеки 100 микросекунди, като я държи далеч от стените на реактора. Бъдещата комерсиална версия би могла да работи непрекъснато.

General Fusion също разчита на сложен софтуер за управление, който оформя плазмата по подходящ начин. 

Междувременно, TAE и Helion използват така наречените конфигурации с обърнато поле, за да ограничат движението на плазмата. Техните реакционни камери приличат на кухи щанги, но с трета „тежест“ в средата.

Краищата генерират въртящи се плазмени тороиди, които след това се изстрелват един срещу друг от магнитни полета. Техният сблъсък предизвиква синтез. Този процес също не би бил възможен без сложни системи за контрол.

Както Helion, така и TAE планират да генерират електричество директно, вместо да набират пара за работа на генератор. Helion планира да го "изтръгне" от взаимодействието между магнитното поле на обединените плазмени тороиди и външното поле.

От TAE обмислят няколко подхода, но все още не са обявили конкретните детайли. 

Какви са алтернативите?

Няколко от останалите членове на Асоциацията за термоядрен синтез експериментират в други посоки. Някои изследват допълнителни горивни цикли - реагиране на деутериеви ядра за генериране на енергия, а не просто за тестване на апарати, например, или сливане на литий с протони.

Други се придържат към пътя на деутерий-тритий, но изследват различни типове реактори.

Непосредствената конкуренция е подход, наречен инерционен синтез. При него горивото започва в малка капсула и Кулоновата бариера се преодолява чрез прилагане на външен удар.

В момента лидер в тези разработки е First Light. Неговите инженери прилагат шока под формата на снаряд, изстрелян чрез електромагнитно ускорение. Целта е горивна капсула в усилвател с форма на куб.

Усилвателят мултиплицира ударната вълна до 80 километра в секунда и я пречупва, така че да се събира към капсулата едновременно от всички посоки. Това води до взрив на горивото, постигайки троен продукт на ниво на запалване.

Подходът на First Light обаче е необичаен. Повечето други привърженици на инерционния синтез планират да доставят шока с лазери. Те включват Focused Energy от Остин, Тексас, Marvel Fusion от Мюнхен и Xcimer Energy от Редууд Сити, Калифорния. 

Колко близо сме до реалното приложение на ядрения синтез?

През декември 2022 г. лаборатория в Калифорния предизвика вълнение сред учените, след като обяви, че е достигнала нивото на запалване, необходимо за ядрения синтез.

Но освободената енергия е по-малко от 1% от вложената, което означава, че все още е далеч от комерсиално приложение.  

До неговото достигане все още има много технологични предизвикателства. Финансите също са ключов фактор. Синтезът, подобно на други области на технологиите, се възползва от последния цикъл на "евтини пари" и нулеви лихвени проценти, който вече приключи.

Краят му може да унищожи дейността на голяма част от стартъп компаниите. Но лидерите все още имат достатъчно финансови буфери.

Освен това, дори и да се появи практична машина, тя ще трябва да намери своята ниша. Много от компаниите в сектора очакват, че ще могат да доставят базова енергия в подкрепа на други периодични източници, като слънчева и вятърна енергия.

Този метод може и да проработи, но също така ще трябва да бъде по-евтин от други алтернативи, като например мрежовите системи и батериите за съхранение на енергия.

За ускорителите на синтеза обаче има поне една добра причина за надежда - голямото разнообразие от подходи. Нужно е само един от тях да работи, за да може цялата индустрия да се трансформира от утопия в реалност.

И ако това се случи, тя може сама по себе си да трансформира глобалния енергиен пейзаж.

Новините на Darik Business Review във Facebook , Instagram , LinkedIn и Twitter !