Когда Министерство энергетики США объявило о прекращении финансирования токамака в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, Деннис Уайт подумывал отказаться от исследований в области термоядерного синтеза. Но, как рассказывается в этом отрывке из новой книги «Надежда умирает последней», Уайту пришла в голову гениальная идея, и он предложил своим студентам воплотить её в жизнь.
С тех пор как в 1930-х годах был открыт термоядерный синтез, ученые задавались вопросом, можно ли каким-то образом воспроизвести и использовать явление, лежащее в основе звездного света — столкновение атомов водорода с образованием гелия и колоссального количества чистой энергии. Синтез водорода дал бы в 200 миллионов раз больше энергии, чем простое его сжигание. В отличие от ядерного деления, которое обеспечивает работу 440 атомных реакторов в мире, термоядерный синтез водорода не производит вредного излучения, а только нейтроны, которые захватываются и добавляются обратно в реакцию. Вместо радиоактивных отходов с длительным, смертельным периодом полураспада, побочным продуктом синтеза является гелий, самый стабильный элемент — и годового запаса гелия с термоядерной установки не хватило бы даже на производство воздушных шаров для вечеринок.
Участие Денниса Уайта в поисках термоядерного синтеза началось еще в аспирантуре, в лаборатории электроэнергетической компании Hydro-Québec, расположенной недалеко от Монреаля. Там ему показали устройство, созданное для воспроизведения термоядерного синтеза в звездах в земном масштабе. Это была полая камера в форме пончика, достаточно большая, чтобы высокий физик, подобный ему, мог стоять внутри, созданная на основе конструкции, разработанной в 1950 году будущим лауреатом Нобелевской премии мира Андреем Сахаровым, который также разрабатывал водородные бомбы для Советского Союза. Она называлась токамаком, что происходит от русского выражения, означающего «кольцеобразная камера с магнитными катушками».
Идея проста: заполнить «бублик» водородом, а затем нагреть этот газ до тех пор, пока он не превратится в электрически заряженную плазму. В этом ионном состоянии плазма будет удерживаться на месте магнитами, расположенными вокруг токамака. Ученые подсчитали, что для достижения термоядерного синтеза на Земле без огромного давления, создаваемого недрами звезды, потребуются температуры почти в 10 раз выше, чем в центре нашего Солнца — около 100 миллионов градусов Цельсия. Поэтому задача состоит в том, чтобы идеально зафиксировать горячую плазму в окружающем магнитном поле так, чтобы она не касалась внутренних поверхностей камеры. Такой контакт мгновенно охладит ее, остановив термоядерную реакцию.
Преимуществом было то, что это было безопасно. В случае аварии термоядерная электростанция не расплавилась бы — наоборот. Недостатком было то, что газообразная плазма была не очень послушной — любая незначительная неровность стенок камеры могла вызвать дестабилизирующую турбулентность. Но концепция была настолько заманчивой, что к середине 1980-х годов токамаки были созданы в 75 университетах и правительственных институтах по всему миру. Если бы кому-нибудь удалось заставить работать термоядерный синтез — самую энергоемкую реакцию во Вселенной, — дейтерий в литре морской воды мог бы удовлетворить потребности одного человека в электроэнергии на год. Это был бы, по сути, безграничный ресурс.
Помимо турбулентности, существовали еще два серьезных препятствия. Магниты, окружающие плазму, должны были быть действительно мощными — то есть очень большими. В 1986 году 35 стран, представляющих половину населения мира, — включая США, Китай, Индию, Японию, нынешний Европейский союз, Южную Корею и Россию, — договорились о совместном строительстве Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), гигантского токамака стоимостью 40 миллиардов долларов на юге Франции. ITER (аббревиатура также образована от латинского слова «путешествие»), высотой 30 метров и расположен на участке площадью 180 акров, оснащен 18 магнитами весом по 360 тонн каждый, изготовленными из лучших на тот момент сверхпроводников. Если он заработает, ITER будет производить 500 мегаватт электроэнергии — но не раньше 2035 года, если вообще заработает. Строительство все еще продолжается. Второе препятствие — самое большое: многие токамаки на короткое время достигали термоядерного синтеза, но для этого всегда требовалось больше энергии, чем они производили.
Получив докторскую степень в 1992 году, Уайт работал над прототипом ITER в Национальном термоядерном центре в Сан-Диего, преподавал в Университете Висконсина, а в 2006 году был принят на работу в Массачусетский технологический институт. К тому времени он понял, насколько высоки ставки и насколько кардинально может изменить жизнь использование термоядерной энергии в коммерческих масштабах — если её удастся поддерживать и производить по доступной цене.
MIT пытался это сделать с 1969 года. В красных кирпичных зданиях его Центра плазменной науки и термоядерного синтеза, где Уайт начал работать, первоначально располагалась Национальная бисквитная компания. Шестой токамак PSFC, Alcator C-Mod, построенный в 1991 году, находился в старой фабрике печенья Oreo компании Nabisco. Магниты C-Mod были обмотаны медью, которая служила проводником (представьте, как медная проволока, обмотанная вокруг гвоздя и подключенная к батарее, превращает его в электромагнит). До окончательного вывода из эксплуатации C-Mod его магнитные поля, в 160 000 раз сильнее земных, установили мировой рекорд по самому высокому давлению плазмы в токамаке.
Однако, как описывает закон Ома, такие металлы, как медь, обладают внутренним сопротивлением, поэтому установка могла работать всего четыре секунды, прежде чем перегреться, и для запуска термоядерных реакций ей требовалось больше энергии, чем вырабатывалось. Как и 160 подобных токамаков по всему миру, C-Mod был интересным научным экспериментом, но в основном лишь подтверждал шутку о том, что термоядерная энергия появится через 20 лет и так будет всегда.
Каждый год Уайт предлагал аспирантам на своих занятиях по проектированию термоядерных установок создать нечто столь же компактное, как C-Mod, в 800 раз меньший по масштабу, чем ITER, способное достичь и поддерживать термоядерный синтез — с энергетическим выигрышем. Но в 2013 году, приближаясь к 50 годам, он все больше сомневался. Он посвятил свою карьеру мечте о термоядерном синтезе, но, если не произойдут радикальные изменения, он боялся, что это не случится при его жизни.
Министерство энергетики США решило сократить масштабы термоядерного синтеза. Оно сообщило Массачусетскому технологическому институту, что финансирование проекта Alcator C-Mod прекратится в 2016 году. Поэтому Уайт решил либо отказаться от термоядерного синтеза и заняться чем-то другим, либо попробовать что-то другое, чтобы быстрее достичь цели.
Появилось новое поколение керамических «высокотемпературных» сверхпроводников, недоступных во времена, когда огромные магниты ITER обматывали металлическим сверхпроводящим кабелем, который необходимо было охлаждать до 4 кельвинов выше абсолютного нуля (–452,47 °F), чтобы его сопротивление току упало до нуля. Открытые случайно в 1986 году в швейцарской лаборатории, новые керамические сверхпроводники все еще нуждались в охлаждении до 20 К (–423,7 °F). Но при гораздо меньших требованиях к мощности их выходная мощность была настолько выше, что год спустя первооткрыватели получили Нобелевскую премию.
Потенциальные области применения были безграничны, но из-за хрупкости керамики наматывать её на электромагниты было нецелесообразно. Однажды Уайт случайно встретил в коридоре научного сотрудника Лесли Бромберга (выпуск 1973 года, доктор философии 1977 года), который держал в руке горсть чего-то похожего на размотанную ленту с видеомагнитофона. «Что это всё?» — спросил он.
«Сверхпроводящая лента, новинка». Тонкие полоски были покрыты керамическими кристаллами редкоземельного барий-медно-оксидного сплава. «Он называется ReBCO», — сказал Бромберг.
Редкоземельный компонент ReBCO, иттрий, встречается в 400 раз чаще, чем серебро. Уайт сразу же задался вопросом: можно ли наматывать сверхпроводящую ленту по типу медной проволоки, чтобы создавать гораздо меньшие, но гораздо более мощные магниты?
Занятия проходили в комнате без окон, расположенной в бывшей фабрике по производству крекеров Nabisco, в окружении классных досок.
Он поручил своим студентам, изучающим проектирование термоядерных установок в 2013 году, провести эксперимент. Он знал, что если студентам удастся удвоить силу магнитного поля, окружающего горячую плазму, они смогут увеличить плотность мощности термоядерного синтеза в шестнадцать раз. Они разработали поразительную конструкцию, которую назвали «Вулкан». Она была опубликована в пяти рецензируемых научных статьях, но оставалось неизвестным, смогут ли слои намотанной ленты ReBCO выдержать нагрузку тока, необходимого для удержания плазмы в подвешенном состоянии при её перегреве для запуска термоядерной реакции.
В течение двух лет он совершенствовал технологию Vulcan на своих занятиях. К 2015 году, когда качество и поставки ReBCO стали более стабильными, он бросил вызов своим студентам — 11 мужчинам и одной женщине, включая аргентинца, россиянина и корейца, — чтобы они превзошли то, что 35 стран пытались сделать почти 30 лет.
«Посмотрим, позволит ли нам ReBCO построить токамак мощностью 500 мегаватт — такой же, как ITER, только гораздо меньшего размера».
Он сказал им, что если сверхпроводящая лента позволит им создать термоядерный реактор, подходящий по размерам к выведенной из эксплуатации угольной электростанции, то его можно будет подключить прямо к существующим линиям электропередачи. Чтобы затем производить достаточное количество безуглеродной энергии, чтобы предотвратить дальнейшее ухудшение климата Земли, его компоненты должны быть пригодны для массового производства, чтобы любой компетентный подрядчик мог их собирать и обслуживать.
Занятия проходили в комнате без окон в бывшем заводе по производству крекеров Nabisco, в окружении классных досок. Разделившись на команды, студенты принялись за разработку способов повышения прочности электромагнитов из тонкой ленты и улавливания нейтронов, выделяющихся в результате термоядерных реакций, чтобы их тепло можно было использовать для вращения турбины, а также для получения большего количества трития для плазмы. Это крайне важно, поскольку природный тритий чрезвычайно редок. Поскольку магниты, обернутые ReBCO, будут намного меньше, уменьшение размеров одного компонента отразилось на всем остальном. Инновации одной команды подпитывали инновации другой, и части конструкции начали связываться между собой. По мере того, как энтузиазм распространялся в PSFC, к работе присоединялись члены предыдущих групп, теперь уже аспиранты или преподаватели. Студенты Уайта, некоторые из которых готовили докторские диссертации, работали над этим по 50 часов в неделю, напоминая ему о том, почему он изначально мечтал о термоядерном синтезе.
Уайт в тысячный раз всё пересмотрел. Он был почти уверен, что они не нарушили никаких законов физики.
А затем, в конце семестра, появился их проект. Диаметром чуть более 3 метров, он действительно выглядел как прототип электростанции. В то время как ITER имел массивную защиту, их токамак должен был быть обернут компактным одеялом, содержащим смесь расплавленных солей фторида лития и фторида бериллия, для поглощения тепла нейтронов, выходящих из термоядерной реакции. Эти нейтроны также должны были реагировать с литием, образуя больше трития.
Тепло, выделяемое одеялом, будет использоваться для выработки электроэнергии — за исключением того, что одна пятая часть тепловой энергии останется в плазме, а это значит, что реакция теперь нагревается сама по себе и является самоподдерживающейся, производя больше энергии, чем необходимо для её запуска. Таким образом, была достигнута чистая энергия термоядерного синтеза.
Магниты из ReBCO, хотя и были в 40 раз меньше, чем в ITER, могли создавать магнитное поле напряженностью 23 Тесла (обычно аппарат МРТ в больнице работает при напряженности поля 1,5 Тесла). Этого было более чем достаточно для осуществления термоядерной реакции, при этом требовалось в 2000 раз меньше электроэнергии, чем у их предшественника из C-Mod с медным покрытием. Все было спроектировано для простоты обслуживания, и детали можно было заменять без необходимости демонтажа всего реактора.
Самое главное, что расчетная выходная энергия более чем в 13 раз превысила входную.
Уайт в тысячный раз всё перепроверил. Он был почти уверен, что они не нарушили никаких законов физики. Он рассчитал стоимость одного ватта и был поражен. Внезапно их целью стало не просто создание гораздо меньшего по размеру ITER, а обеспечение коммерческой конкурентоспособности.
Ошеломленный, он сказал жене: «Это действительно может сработать».
Они назвали его ARC, что означает «доступный, надежный, компактный». «Построить за десятилетие», — предсказал Уайт. В рецензируемой статье, опубликованной его 12 студентами в журнале FusionEngineering and Design, оценивалась стоимость проекта примерно в 5 миллиардов долларов. В 2015 году это было немногим больше, чем стоимость угольной электростанции сопоставимого размера, и в восемь раз меньше, чем стоимость ITER.
В мае того же года Уайт выступил с программной речью об ARC на симпозиуме по термоядерной инженерии в Остине, штат Техас. На симпозиуме присутствовали четверо его студентов. Когда он описал их план по созданию работоспособного реактора к 2025 году, всего за 10 лет, участники конференции были поражены — все остальные говорили о десятилетиях. После симпозиума представители MIT отправились на обед в ресторан Stubb's Bar-BQ. Было ясно, что в условиях ухудшения климата и предупреждения Межправительственной группы экспертов по изменению климата о необходимости еще не изобретенных технологий для предотвращения резкого повышения температуры до угрожающих уровней, им необходимо было это сделать. Но поскольку Министерство энергетики США прекратило финансирование, как они могли это сделать?
На салфетке Уайт начал перечислять, что им нужно сделать и во сколько обойдется каждый этап. За ужином они разработали предложение о создании стартапа для привлечения венчурного капитала на финансирование демонстрационного термоядерного реактора SPARC (сокращение от «soon-as-posible ARC»), чтобы показать, что это действительно возможно. Затем они построят ARC в коммерческих масштабах.
Создание компании освободило бы их от циклов академического и государственного финансирования, но они были физиками-плазмологами, большинству из которых было чуть больше 20 лет, и не имели опыта в бизнесе. Тем не менее, Уайт и Мартин Гринвальд, заместитель директора PSFC, согласились присоединиться к ним, и в 2018 году родилась компания Commonwealth Fusion Systems (CFS). Трое его бывших студентов возглавили компанию, а трое остались в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, который — в рамках соглашения о разделе прибыли — стал исследовательским подразделением CFS.
Они открыли свой бизнес неподалеку, в The Engine, инкубаторе стартапов MIT, специализирующемся на «сложных технологиях», и привлекли внимание таких обеспокоенных изменением климата инвесторов, как Билл Гейтс, Джордж Сорос и Джефф Безос. Но они были не единственными, кто боролся за финансирование термоядерного синтеза, и это превратилось в гонку за то, кто первым сможет запустить термоядерный синтез в коммерческих масштабах.
Команда CFS, возможно, и была молодой, но благодаря партнерству с Массачусетским технологическим институтом и более чем сотне опытных ученых в области термоядерного синтеза, у нее был отличный старт.
К концу 2021 года компания Commonwealth Fusion Systems привлекла более 2 миллиардов долларов и начала строительство коммерческого комплекса по термоядерной энергетике на участке площадью 47 акров недалеко от Бостона, планируя построить SPARC к 2025 году, а ARC — в промышленных масштабах и для массового производства к 2030 году.
Получение и поддержание чистого энергетического баланса постоянно называют еще недостижимым «святым Граалем» термоядерного синтеза, но к сентябрю 2021 года команда CFS в составе генерального директора Боба Мумгарда, выпускника магистратуры 2015 года, доктора философии 2015 года (соавтора проекта Vulcan), главного научного сотрудника Брэндона Сорбома, доктора философии 2017 года (ведущего автора прорывной статьи класса по проектированию термоядерных установок 2015 года), Уайта и их 200 коллег из CFS были уверены, что смогут это сделать — если их магниты выдержат. В течение трех лет, на протяжении всей пандемии, они работали в лаборатории West Cell компании PSFC, в огромном здании бывшей фабрики Oreo, где ранее располагался Alcator C-Mod, лихорадочно решая такие проблемы, как пайка тонкопленочной ленты ReBCO в структуру, достаточно прочную, чтобы выдержать прохождение через нее 40 000 ампер — достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией небольшой город.
В готовом SPARC плазменная камера была бы окружена 18 магнитами, но для этого испытания был построен всего один. Он состоял из 16 слоев, каждый из которых представлял собой стальной диск D-образной формы высотой 3 метра с канавками, как у виниловой пластинки. На одной стороне канавки были расположены плотные спирали пленки ReBCO общей длиной 270 километров — расстояние от Бостона до Олбани. «И все это ReBCO содержит лишь небольшое количество редкоземельных элементов», — сказал Сорбом. «В этом и заключается магия сверхпроводников: крошечный кусочек материала может проводить такой большой ток. Для сравнения, редкоземельные неодимовые магниты ветряной турбины весят тонны».
На обратной стороне каждого диска канавки направляли жидкий гелий для охлаждения сверхпроводника и достижения нулевого сопротивления. (Эта конструкция восходит к первому в истории магниту с сильным магнитным полем, созданному в Массачусетском технологическом институте в 1930-х годах, в котором использовались медные проводники и вода в качестве охлаждающей жидкости.) Каждый слой изготавливался на автоматизированной сборочной линии. «Идея, — сказал Мумгард, — состоит в том, чтобы когда-нибудь производить 100 000 магнитов в год. Это не может быть научной диковинкой. Это должен быть источник энергии».
Хотя пандемия COVID-19 пошла на спад, вспышка могла всё сорвать, поэтому они продолжали соблюдать протоколы по борьбе с коронавирусом, вынося компьютерные терминалы на улицу под навес, чтобы избежать скопления людей внутри. Другие работали удаленно. В течение месяца десятки людей работали по восемь часов в сутки, без перерывов. Некоторые управляли электромагнитной катушкой, заключенной в корпус из нержавеющей стали в центре комнаты, которую в течение недели приходилось постепенно охлаждать от комнатной температуры 298 К до 20 К, прежде чем она медленно нагрелась до полной магнитной силы. Другие постоянно сравнивали данные в реальном времени с резервными моделями. По мере снижения температуры внутренние соединения, сварные швы и клапаны сжимались с разной скоростью, поэтому они следили за утечками.
2 сентября 2021 года, в четверг перед Днем труда, они начали увеличивать ток на несколько килоампер, часто останавливаясь, чтобы проверить, что показывает ток, как изменились характеристики охлаждения и как возрастала нагрузка на катушку ReBCO по мере усиления магнитного поля до рекордных значений.
Две ночи спустя они постепенно увеличивали силу тока, стремясь к своей цели: магнитному полю в 20 Тесла, достаточно мощному, чтобы поднять 421 самолет Boeing 747 или сдержать непрерывную термоядерную реакцию. Они рассчитывали достичь цели к 7:00 утра воскресенья, 5-го числа. В 3:30 на большом экране в конструкторском центре отобразилось, что они достигли 40 килоампер, а магнитное поле — 19,56 Тесла.
В 4:30 утра их мощность составляла 19,98 Тесла. Воцарилась полная тишина. В 5:20 утра все дублирующие экранные индикаторы показывали 20 Тесла, и ничего не протекло и не взорвалось — кроме как под палаткой, где хлопали пробки от шампанского.
Пять лет назад, на последних четырех секундах работы, медный магнит C-Mod потребил 200 миллионов ватт энергии, чтобы достичь 5,7 Тесла. Для создания магнитного поля, достаточно сильного для поддержания термоядерной реакции, потребовалось 30 ватт — примерно в 10 миллионов раз меньше энергии, как сообщил Уайт журналистам. Соединения, передающие ток от одного слоя к другому, показали себя лучше, чем ожидалось. Это была самая большая загадка, потому что проверить их можно было только одним способом: в самом магните. Они выглядели впечатляюще.
Спустя пять часов команда снизила уровень электроэнергии. «Это момент, достойный Китти-Хок», — сказал Мумгард.
Адаптировано из книги Алана Вайсмена «Надежда умирает последней: дальновидные люди по всему миру, борющиеся за наше будущее», опубликованной издательством Dutton, подразделением Penguin Random House. © 2025 Алан Вайсмен.
Источник: www.technologyreview.com
