Глубоко под пустыней Невады в 1980-х США провели секретные исследования ядерного оружия.
Среди экспериментов была попытка увидеть, может ли ядерный синтез, реакция, которая приводит к солнцу, вызваться на Земле в контролируемой среде.
Эксперименты были засекречены, но среди физиков было широко известно, что результаты были многообещающими.
Эти знания привлекли внимание двух молодых аспирантов, работающих в Лос-Аламосской национальной лаборатории в конце 2000-х годов, Коннера Галлоуэя и Александра Валиса.
Лаборатория Лос-Аламос была первоначально создана в 1943 году как сверхсекретный объект для разработки первого ядерного оружия.
Расположен вблизи Санта-Фе, штат Нью-Мексико, в настоящее время является государственным научно-исследовательским и опытно-конструкторским центром США.
Когда мы с Алексом узнали об этих тестах в Лос-Аламосе, наша реакция была как вау, инерциальный синтез уже сработал!
Лабораторные окаменелости зажигались, детали были засекречены, но было достаточно, чтобы мы знали, что зажигание достигнуто, говорит мистер Гэллоуэй.
Ядерный синтез — это процесс взрывания ядер водорода вместе, который производит огромное количество энергии.
Эта реакция порождает гелий, а не давние радиоактивные отходы процесса деления, которые используются на существующих атомных электростанциях.
Если синтез можно использовать, то он обещает обилие электроэнергии, производимой без производства CO2.
Эти испытания в 1980-х годах привели к тому, что правительство США построило в Калифорнии Национальный механизм зажигания (NIF), проект, направленный на то, можно ли зажечь ядерные топливные печи с помощью мощного лазера.
После более чем десяти лет работы в конце 2022 года исследователи из NIF сделали прорыв.
Ученые провели первый эксперимент по контролируемому синтезу, чтобы получить больше энергии от реакции, чем от лазеров, которые вызвали его.
В то время как физики во всем мире восхищались этим прорывом, ученые из NIF заняли гораздо больше времени, чем ожидалось.
Они голодали, говорит мистер Гэллоуэй.
Он не означает, что им нужно было больше закусок, вместо этого лазер NIF был достаточно мощным, чтобы зажечь топливный шар.
Мистер Гэллоуэй и мистер Валис считают, что более мощные лазеры позволят создать рабочую реакцию синтеза, которая может поставлять электричество в энергетическую сеть.
Для этого они основали Xcimer, базирующийся в Денвере.
NIF был связан с лазером, который мог выкачать две мегаджоулы энергии.
Мистер Гэллоуэй и мистер Валис планируют экспериментировать с лазерами, которые могут поставлять до 20 мегаджоулей энергии.
Мы думаем, что от 10 до 12 [мегаджоулей] - это сладкое место для коммерческой электростанции, говорит мистер Галлоуэй.
Такой лазерный луч попал бы в топливную капсулу мощным ударом.
Это было бы как взять энергию 40-тонного сочлененного грузовика, путешествующего со скоростью 60 миль в час, и сфокусировать его на капсуле размером в сантиметр на несколько миллиардов секунды.
Более мощные лазеры позволят Xcimer использовать более крупные и простые топливные капсулы, чем NIF, что затрудняет их совершенствование.
Xcimer присоединяется к десяткам других организаций по всему миру, пытающихся построить рабочий реактор синтеза.
Существует два основных подхода.
Разбивка топливных пластов лазерами подпадает под категорию инерционного синтеза.
В противном случае, известном как магнитный синтез, используются мощные магниты, чтобы поймать горящее облако атомов, называемое плазмой.
Оба подхода сопряжены с огромными инженерными проблемами, которые необходимо преодолеть.
В частности, как вы извлекаете тепло, генерируемое при синтезе, чтобы сделать что-то полезное с ним, например управлять турбиной, чтобы сделать электричество?
Полагаю, мой скептицизм заключается в том, что я даже не видел убедительной концептуальной диаграммы того, как вы управляете процессом извлечения энергии при сохранении реакции синтеза, говорит профессор Ян Лоу из Гриффитского университета в Австралии.
Он провёл свою долгую карьеру в области исследований и политики в области энергетики.
Хотя профессор Лоу поддерживает разработку технологии синтеза, он просто утверждает, что рабочий термоядерный реактор не придёт достаточно быстро, чтобы снизить выбросы CO2 и решить проблему изменения климата.
Я обеспокоен тем, что даже самое оптимистичное мнение заключается в том, что браку повезло иметь коммерческие реакторы синтеза к 2050 году.
И задолго до этого нам нужно было декарбонизировать энергоснабжение, если бы не расплавить планету, говорит он.
Еще одна проблема заключается в том, что в результате реакции синтеза образуются высокоэнергетические частицы, которые деградируют сталь, или любой другой материал, соединяющий ядро реактора.
Те, кто работает в индустрии синтеза, не отрицают инженерных проблем, но считают, что их можно преодолеть.
Ксимер планирует использовать водопад расплавленной соли вокруг реакции синтеза, чтобы поглотить тепло.
Основатели убеждены в том, что они могут запустить лазеры и заменить топливные капсулы (один раз в две секунды) при сохранении этого потока.
Поток расплавленной соли будет также достаточно толстым, чтобы поглотить высокоэнергетические частицы, которые могут повредить реактор.
У нас только два относительно маленьких лазерных луча, поступающих с обеих сторон.
Значит, вам нужен лишь большой проем в потоке для этих лучей, и вам не нужно выключать и включать весь поток, говорит мистер Валис.
Но как быстро они могут заставить такую систему работать?
Xcimer планирует экспериментировать с лазерами в течение двух лет, прежде чем построить целевую камеру, где они могут нацелиться на топливные пласты.
Последней стадией станет рабочий реактор, который, как они надеются, будет подключен к электросети в середине 2030-х годов.
Для финансирования первого этапа их работы " Xcimer " собрала 100 млн. долл. США (77 млн. фунтов стерлингов).
Деньги будут использованы для строительства объекта в Денвере и прототипа лазерной системы.
Для строительства рабочего реактора потребуются еще сотни миллионов долларов.
Но для основателей Xcimer и других стартапов синтеза перспектива дешевой, безуглеродной электроэнергии неотразима.
Знаете, это изменит траекторию возможного прогресса человечества, говорит мистер Валис.