Helion Energy хочет создать термоядерную электростанцию в кратчайшие сроки

Эта компания заявляет, что ее импульсная плазменная установка будет поставлять электроэнергию в сеть к 2029 году. Некоторые физики предупреждают, что ее возможности опережают то, что доказала технология

Автор Алекс Пастернак под редакцией Эрика Салливана

К востоку от Малаги, штат Вашингтон. — фермерский городок в яблоневой стране. — Река Колумбия протекает между базальтовыми утесами. мимо плотины Рок-Айленд, которая с 1933 года превращает воду в электричество для Тихоокеанского Северо-запада. Сейчас на плоском участке земли неподалеку формируется совершенно другой энергетический проект.

Helion Energy, одна из наиболее финансируемых частных термоядерных компаний в мире, строит то, что она называет Orion: машина, которая, по ее словам, станет первой в мире термоядерной электростанцией завод, обеспечивающий 50 мегаватт электроэнергии для центров обработки данных Microsoft к 2029 году. В отрасли, где долгое время доминировали лабораторные достижения и изменяющиеся сроки, Helion, поддерживаемая такими специалистами, как генеральный директор OpenAI Сэм Альтман, стала первой компанией fusion, выступившей с коммерческими заявлениями, которые дают полезное представление о новой отрасли: хорошо финансируемой, амбициозной и тесно связанной с искусственным интеллектом. огромная жажда власти.

«Helion и все остальные находятся под давлением», — говорит Дэвид Киртли, генеральный директор Helion. У него есть готовый ответ на старую шутку о том, что до термоядерного синтеза всегда остается 20 лет. «Я говорю, что мы опоздали на 20 лет. Нам нужно активизировать усилия, построить эти [заводы] и внедрить их в больших масштабах.»

О поддержке научной журналистики

Если вам понравилась эта статья, подумайте о поддержке нашей журналистики, отмеченной наградами, путем подписываюсь. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.

Частные деньги заполонили эту область. Крупные технологические компании заключают контракты на поставку электроэнергии с термоядерными компаниями за годы до того, как любая коммерческая машина начнет производить электроэнергию. Искусственный интеллект — не единственная причина такого ажиотажа, но он еще больше обостряет актуальность. Центрам обработки данных требуется огромное количество круглосуточной электроэнергии; стартапы, работающие в сфере термоядерного синтеза, предлагают путь к надежной, безуглеродной энергетике. «Это ситуация, которая, безусловно, не похожа ни на одну другую энергетическую технологию», — говорит Трой Картер, директор подразделение термоядерной энергетики Национальной лаборатории Ок-Риджа — и, добавляет он, «возможно, в отличие от других технологий».

Но вы не можете «купить свой путь вокруг законы физики. Несмотря на то, что стены на площадке Orion поднимаются, остаются большие вопросы по поводу смелых обещаний компании, в том числе от одного из соучредителей Helion.

Слияние звезд происходит постоянно. Но на Земле это сделать сложнее: сначала необходимо нагреть легкие ядра до температуры плазмы выше 100 миллионов градусов Цельсия, затем поддерживать их горячими, плотными и стабильными достаточно долго, чтобы протекли необходимые реакции. Это первая задача.

Топливо и материалы создают более серьезные проблемы. Наиболее практичное термоядерное топливо — дейтерий и тритий, оба изотопа водорода, — испускают быстрые нейтроны, которые бомбардируют окружающую среду, разрушая саму установку, предназначенную для сдерживания реакции. А тритий радиоактивен, у него относительно быстрый период полураспада — 12 лет, и он практически не встречается в природе. Любой реактор, работающий на дейтерий-тритиевом топливе, должен будет самостоятельно обеспечивать себя тритием — это одна из многих проблем, с которыми, по словам Картера, отрасли еще предстоит серьезно разобраться, и остается надеяться, что национальные лаборатории справятся с этой задачей.

Компания Helion, базирующаяся в Эверетте, штат Вашингтон, делает ставку на одну из самых малоизвестных идей термоядерного синтеза: линейный реактор, построенный на основе плазмы, называемой конфигурацией с обращенным полем, или FRC. В отличие от стационарной плазмы в форме бублика, которая образуется внутри токамака, или асимметричной ленты плазмы, проходящей вокруг стелларатора, плазма FRC, напоминающая вращающееся дымовое кольцо, удерживается на месте, требуя меньше внешних магнитов. Реактор FRC «имеет очень мало внешних магнитов», — говорит Картер. «Магниты, которые вам нужны, гораздо менее сложны, имеют гораздо меньшее поле и стоят дешевле». Загвоздка в том, что плазму FRC, как известно, трудно стабилизировать, поскольку она потребляет больше энергии.

<источника Media="(мин-ширина: 0px)" srcSet="https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=1000 1000Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=1200 1200Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=1350 1350w, https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=1878 1878w, https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=600 600Вт, https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=750 750 Вт https://static.scientificamerican.com/dam/asset/4d06df2c-6d94-4ff9-8df3-fb85d2b4e87a/sa0626Indu02.jpg?m=1778256668.901&w=900 900 Вт" размеры="(мин-ширина: 1878px) 1878px, (мин-разрешение: 3dppx) 50vw, (мин-разрешение: 2dppx) 75vw, 100vw"/><п class="" данные-блок="sciam/пункте">и ldquo;единственная вещь, о ФОКов: мы называем их &амп;так называемый; самоорганизованный,– это» Из говорит физик-экспериментатор Джон Слау. «Это похоже на вращение волчка». Но «если вы попытаетесь что-то с этим сделать, вы просто все испортите».

Слау потратил десятилетия на то, чтобы сохранить эту идею живой. К началу 2000-х годов федеральная поддержка альтернативных концепций термоядерного синтеза в значительной степени иссякла; Слау, работавший тогда в Вашингтонском университете, продолжал работать на пределе возможностей, заключая небольшие контракты на разработку космических двигателей с НАСА и ВВС США. Ключевым открытием стало то, что с помощью магнитных импульсов на обоих концах реактора можно было сформировать два плазмоида FRC, которые ускорялись навстречу друг другу со скоростью до 1,6 миллиона километров в час и сталкивались и сливались — используя само столкновение как кратчайший путь к температурам термоядерного синтеза. Реакция происходит за доли миллисекунды: с помощью быстрого потока импульсов топливо многократно нагревается, сжимается и расширяется для выработки электроэнергии.

Примерно в 2008 году Слау нанял Киртли, тогда молодого аэрокосмического инженера, в свою небольшую научно-исследовательскую компанию MSNW. Когда федеральная поддержка пошла на убыль, Киртли увидел то, чего не увидел Слау: зародыш стартапа. Они и технический специалист по имени Крис Пихл работали над этой идеей. С благословения Слау, Киртли и Пихлконцепция была представлена в стартап-инкубаторе Y Combinator (которым тогда руководил Альтман), и Helion взлетела на воздух. Это было частью общей тенденции в fusion: когда государственные деньги иссякли, некоторые заброшенные концепции превратились в стартапы.

Еще одна необычная особенность подхода Helion — это то, что следует за реакцией. Большинство проектов термоядерных электростанций предусматривают использование термоядерного тепла для кипячения воды, вращения турбины и приведения в действие генератора. Helion пропускает этот тепловой цикл. Поскольку объединенная плазма расширяется после термоядерного импульса, она должна отталкиваться от магнитного поля и индуцировать электрический ток непосредственно в катушках, окружающих машину. Компания Helion утверждает, что когда плазма непосредственно генерирует ток, она может восстанавливать электроэнергию с эффективностью более 95 процентов. Это число имеет огромное значение.

«Основой нашей технологии является прямое восстановление электроэнергии», — говорит Киртли. «Если вы можете восстанавливать электроэнергию с эффективностью в 95 процентов, fusion должен сделать только эту [последнюю] малость». Картер согласен, что этот аспект является самым ярким техническим достижением Helion — если он работает. «Это реальное преимущество для Helion, — говорит он, — которое, если они смогут это сделать, снизит планку того, какой прирост им нужен».

В этом «если» и заключается вся история. Компания Helion создала семь прототипов устройств, каждое из которых мощнее предыдущего. Новейшее устройство, Polaris, представляет собой 19-метровое устройство с конденсаторными батареями, способными накапливать и выдавать ошеломляющие 50 мегаджоулей энергии за импульс. Ранее в этом году компания Helion объявила, что Polaris, расположенная на объекте площадью 30 000 квадратных футов в Эверетте, достигла рекордных 150 миллионов градусов по Цельсию и, по словам компании, стала первой частной термоядерной установкой, используемой для «демонстрации» термоядерного синтеза с использованием дейтерий-тритиевого топлива.

Инженерные задачи были очень сложными. Helion пришлось заменить переключатели исследовательского уровня твердотельным оборудованием, способным выдерживать сотни миллионов импульсов. Для питания оборудования компания также изготовила тысячи специализированных высоковольтных конденсаторов; для Polaris требуется достаточное количество маслонаполненных устройств, чтобы заполнить 150 транспортных контейнеров. При каждом быстром повторении все электрические системы должны работать идеально синхронно, с интервалом в наносекунды. Каждый импульс проявляется как «вспышка света, похожая на вспышку фотоаппарата», — говорит Энтони Панкотти, соучредитель Helion. «Это приводит к слиянию и восстановлению энергии, не успеешь и глазом моргнуть».»» data-block=»sciam/paragraph»>Такой подход формирует производственные амбиции Helion. Она представляет собой множество модульных генераторов, которые изготавливаются на заводах и поставляются заказчикам в виде серверных стоек для получения энергии. В настоящее время в компании работает около 600 человек, при этом основное внимание уделяется техническим специалистам, а не ученым.

В 2023 году Helion объявила о том, что она назвала первым соглашением о покупке электроэнергии в fusion, обязавшись открыть свой завод в Малаге к 2028 году и обеспечить Microsoft 50 мегаваттами электроэнергии к следующему году, с финансовыми штрафами за недоставка. Несколько месяцев спустя компания объявила о заключении контракта на разработку 500-мегаваттной установки с производителем стали Nucor. Альтман недавно покинул совет директоров компании, поскольку OpenAI и Helion изучали возможность партнерства.

Вы не можете купить себе обходной путь в обход законов из области физики.

Но сделка по энергоснабжению — это не то же самое, что работающая электростанция. История Helion, как и многих других проектов в области термоядерного синтеза, включает в себя череду срывов сроков. Когда-то компания прогнозировала чистую выработку электроэнергии на более ранней установке к 2024 году. В то время как сроки приближаются, опубликованные результаты не подтвердили чистую выработку электроэнергии на Polaris.

Наиболее резкая критика исходит от Слау, чьи исследования в области FRC помогли создать Helion. С тех пор он уволился из компании, и его возражения касаются сути дизайна. Основная проблема, по его словам, та же, с которой FRC всегда сталкивались: изоляция. По его мнению, агрессивный подход Helion, заключающийся в соединении плазмы с экстремальной скоростью и ее сжатии, приводит к нестабильности, достаточно серьезной, чтобы привести к «катастрофической» потере потока, прежде чем термоядерный синтез сможет выполнить работу, необходимую Helion. По его словам, при таких скоростях «вы сталкиваетесь с фундаментальным аспектом FRC».

Долгосрочные амбиции Helion отодвигают на второй план линия критики. В конечном счете, компания хочет, чтобы Orion работал на дейтерии и гелии-3, что позволило бы производить меньше нейтронов с более высокой энергией и максимально эффективно улавливать электроэнергию. Но гелия-3, образующегося в результате радиоактивного распада трития, чрезвычайно мало, а термоядерные реакции сложнее осуществить, поскольку для их проведения требуется температура около 200 миллионов градусов по Цельсию. Слау говорит, что требуемое для этого тепло и изоляция физически невозможны в конструкции Helion. Там, где он когда-то видел возможные пути, теперь он «не видит ничего в физике», что позволило бы это сделать.

Киртли возражает, что Слау опирается на «устаревшие» данные.» одномерные модели, которые игнорируют скорость его импульсов. «Многим нестабильностям не хватает времени для роста», — говорит он, утверждая, что машины Helion остаются достаточно стабильными, чтобы завершить формирование, слияние, сжатие и термоядерный синтез в требуемые сроки. Компания Helion планирует получать гелий-3 из трития и утверждает, что, согласно разработанным моделям, она может преобразовывать более 85 процентов энергии плазмы в полезное электричество.

Существует также вопрос прозрачности. Helion публикует очень мало рецензируемых данных об основных характеристиках своей плазмы, что затрудняет оценку ее требований сторонними учеными. «Они не публикуются, и это их позиция», — говорит Картер. Без дополнительных данных, добавляет он, «трудно в полной мере оценить, куда они направляются».”

Еще одно исследование принадлежит Карлу Лакнеру из Института физики плазмы имени Макса Планка в Германии, чья группа опубликовала официальные комментарии в Journal of Fusion Energy в феврале. Их целью является публикация в 2023 году статьи Киртли и ученого из Helion Ричарда Милроя, в которой излагается физическое обоснование подхода компании к получению дейтерия и гелия-3. Центральное место в прогнозируемом увеличении энергии занимает идея о том, что ионы в плазме могут оставаться намного более горячими, чем электроны, после столкновения и сжатия — условие, которое уменьшило бы затраты энергии, необходимые для поддержания реакции. Группа Лакнера утверждает, что если учесть обычную передачу энергии при столкновении, требования становятся «гораздо более жесткими», чем предполагает анализ Helion.

Со своей стороны, Helion утверждает, что анализ Лакнера не учитывает частоту его импульсов. Благоприятное соотношение температур ионов и электронов повышает эффективность, но вопрос «заключается не в том, могут ли ионы всегда оставаться более горячими, чем электроны, а в том, достаточно ли быстро развивается импульс», чтобы эта неравновесность поддерживала эффективный термоядерный синтез и рекуперацию энергии.

Ничто из этого не означает, что Helion потерпит неудачу. У Fusion долгая история с завышенными сроками и запоздалыми достижениями. Но private fusion изменила темпы развития отрасли, переместив вопросы о цепочках поставок и производстве в область, которая на протяжении десятилетий была сосредоточена на лабораторных исследованиях.

Картер, в чьем отчете Министерства энергетики США за 2021 год была поставлена цель на 2040 год для первой экспериментальной установки по термоядерному синтезу, прежде чем частный капитал ускорил сроки, считает, что пилотная установка в 2030-х годах вполне осуществима. Но он подчеркивает, что ни одна компания не может добиться этого в одиночку.

Один только аспект цепочки поставок иллюстрирует, почему. Helion производит собственные конденсаторы и керамику сверхвысокого давления; другие термоядерные компании нуждаются в аналогичных компонентах. Базирующаяся в Массачусетсе компания Commonwealth Fusion Systems создает инфраструктуру для производства необходимых ей высокотемпературных сверхпроводящих магнитов. Но ни один стартап не может самостоятельно полностью преодолеть эти препятствия промышленного масштаба. В апреле Министерство энергетики заявило, что инвестирует 135 миллионов долларов — свою самую крупную на сегодняшний день инвестицию в термоядерный синтез — для устранения «самых жестких технических барьеров» на пути к термоядерному синтезу в коммерческих масштабах. «Если у государственного сектора есть способ восполнить эти пробелы в цепочке поставок, — говорит Картер, — нам следует обратить на это внимание».

Недалеко от Малаги продолжается строительство. Орион восходит на равнине над Колумбией. Неподалеку, на Гелионе, готовится новое сборочное предприятие, где будут собраны тысячи сложных компонентов. Плотина, расположенная на небольшом расстоянии ниже по течению, по-прежнему преобразует падающую воду в свет.

Будет ли Helion поставлять электроэнергию к 2028 году, неизвестно, как и способность fusion внести значимый вклад в энергосистему в 2030-х годах. Физики по-прежнему должны сотрудничать. Но, рассматривая термоядерный синтез как производственную задачу, а не как научную, Helion уже изменила то, что, по мнению отрасли, возможно — и как скоро.