Термоядерный реактор Zap Energy размером с гараж впервые получил плазму

28 июня, 2022 - 18:18

Американский стартап Zap Energy объявил о важной вехе в создании экономически эффективного термоядерного реактора. Прототип машины FuZE-Q успешно создал свою первую плазму с электрическим током 500 килоампер (кА) и подтвердил возможность ее удержания. Таким образом Zap Energy достиг одного из ключевых этапов на пути к получению термоядерного синтеза, который будет производить больше энергии, чем тратить. Стартап рассчитывает получить положительный баланс энергии на следующем прототипе своей установки, который сможет выдержать ток 650 кА.

Как сообщает New Altas, технология Zap Energy основана на так называемом Z-пинче— давно известном методе получения и сжатия плазмы. Принцип работы Z-пинча прост: вместо сложной паутины дорогих магнитных катушек и дорогостоящих экранирующих материалов для их защиты системы Z-пинча полагаются на электромагнитное поле, которое генерируется внутри самой плазмы. Это поле фиксирует плазму на месте внутри относительно короткого столба, называемого еще жгутом, и «зажимает» ее, пока она не станет горячей и достаточно плотной для ядерного синтеза. То есть все просто, дешево и эффективно. Но, есть проблема.

Создать установку Z-пинча действительно достаточно просто и какое-то время считалось, что это быстрый путь к бесконечной термоядерной энергии. В совсем простейшем случае она состоит всего из двух электродов, находящихся в среде дейтерия или смеси дейтерия и трития, и батареи высоковольтных импульсных конденсаторов. Но достаточно скоро выяснилось (примерно 70 лет назад), что удержать плазму в стабильном состоянии в виде вытянутого жгута в установке Z-пинча невозможно. Малейшие колебания проводят к усилению магнитного поля с одной стороны и ослаблению с другой, в результате жгут рвется, ток обрывается, магнитное поле исчезает, и вся плазма рассеивается.

Прорыв произошел в 2019 году, когда группа ученых из Вашингтонского университета нашла решение проблемы нестабильности, которая мешала реализации технологии Z-пинча с момента ее создания в 1950-х годах.

Используя явление, которое известно в гидродинамике как осевой поток сдвига, команда продемонстрировала способ сглаживания потоков плазмы, чтобы предотвратить выпуклости и искажения, которые приводили к их схлопыванию.

«Z-пинч долгое время был привлекательным способом осуществления ядерного синтеза, но в течение многих лет исследователи считали нестабильность плазмы Z-пинча непреодолимой проблемой. С помощью моделирования и нового эксперимента мы показали, что осевые потоки сдвига могут стабилизировать плазму и что эта стабильность может поддерживаться в коммерчески выгодных масштабах», — сообщил главный научный сотрудник Zap Energy Ури Шумлак, который был в той самой группе ученых.

Так как система Zap Energy не нуждается в сверхпроводящих магнитах и мощных лазерах для удержания плазмы, то, помимо экономии средств на производство, этот подход позволяет радикально уменьшить размер реакторов. В перспективе компания планирует уместить все необходимые компоненты в объеме, который будет примерно сопоставим с автомобильным гаражом.

В ближайшее время Zap Energy будет работать над более совершенной платформой FuZE-Q. Разработчик планирует обновить блок питания и повысить силу тока до уровня достижения точки «энергетической безубыточности» — момента, когда энергия, выходящая из Z-пинча, будет больше, чем энергия, затрачиваемая на создание плазмы и удерживающего ее магнитного поля.

Предварительные расчеты Zap Energy показали, что эквивалентная точка Q=1 будет достигнута при силе тока около 650 кА.

Помимо успешных испытаний, на днях Zap Energy получил еще один стимул для развития своего бизнеса — стартап закрыл инвестиционный раунд серии C на $160 млн. Используя средства, поступившие от Lowercarbon Capital и длинного списка других фондов, разработчик подготовит производственную базу для следующих испытаний и серийного выпуска своих реакторов. Когда именно технология будет готова к коммерческому запуску, пока неизвестно.