Обзор термоядерных стартапов мира
Думаю, очень полезным будет сделать обзор стартапов работающих в области термоядерной энергии. Почему стартапов, а не университетских научных команд, скажем? Стартап — это форма организации проекта с четко поставленной практической целью, и такая форма позволяет максимально жестко и четко тестировать разнообразные идеи практикой. В то время, как задача науки в целом — это добыча знаний без какой-то особой сортировки на «полезные» и «бесполезные» (бесполезные когда-то знания о том, что ток в проводе вызывает появление магнитного поля определяют нашу жизнь сегодня).
Спасибо за помощь в создании статьи Андрею Гаврилову.
Я попробую не только перечислить стартапы, но и оценить их «продвинутость» на этой магистральной дороге — от идеи о работающих термоядерных электростанций, построенных на базе этой идеи. Кроме того, я дам краткую характеристику по отношению экспертного сообщества к той или иной концепции термоядерного реактора. Для того, чтобы оценивать технологическую зрелость, предлагаю ставить баллы от 1 до 7 в соответствии с такой табличкой
Ну давайте начнем с чего-то хорошо известного
1. Организация: ITER. Технический уровень: 6.1. Год старта проекта: 1992
Ключевые люди: Dr. Bernard Bigot, Dr. Robert Aymar, академик Евгений Велихов, Dr. Gunter Janeschitz, Dr. Osamu Motojima, Dr. Won Namkung,:
Сайт: https://www.iter.org/
Описание концепции: Классический токамак — тороидальная камера для магнитного удержания термоядерной плазмы. На этой концепции достигнуто максимальное Q (отношение мощности нагрева к термоядерной мощности), намного обгоняющее остальные идеи. ITER является наиболее продвинутым термоядерным реактором, позволяющим получать устойчивую горящую термоядерную плазму. Однако проект не является на самом деле стартапом, направленным на практическую пользу, что не позволяет его сравнивать с другими участниками этого списка.
Экспертная позиция: Токамаки показали себя как наиболее успешная идея термоядерного реактора, однако она имеет фундаментальные ограничения, практически не позволяющие работать с другой, кроме DT термоядерной реакцией, а также на сегодня видны большие инженерные сложности по созданию промышленных энергетических реакторов на базе этой концепции (плотность мощности на диверторе, срывы, устойчивость конструкции под нейтронным излучением и т.п.)
2. Организация: Tri Alpha Energy. Технический уровень: 4.0. Год старта проекта: 1998.
Ключевые люди: Dr. Michl Binderbauer, Сергей Путвинский, Norman Rostoker, Сайт: https://tae.com/
Описание концепции: Beam driven FRC — удержание плазменного вихря, называемого FRC с помощью инжектируемых тангенциально пучков нейтралов. Пучки нейтралов также обеспечивают часть синтеза. Концепция отличается очень удачной физикой, что теоретически позволяет освоить не только DT и DD реакции, но и pB11. В свою очередь pB11 означает практически полное (по сравнению с DT) отсутствие радиоактивных отходов, широко распространенное дешевое топливо, инженерную простоту реактора. Еще одним плюсом является меньшая по сравнению с токамаками мощность, при которой «сходится» реактор. К минусом можно отнести гораздо меньшую изученность и возможные подводные камни. (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: Идея Нормана Ростокера из середины 90х была проверена командой TAE в 2000х и оказалась работающей. В частности, время удержание FRC было поднято с сотен микросекунд до десятков миллисекунд, нащупан скейлинг. В настоящее время TAE набрало ~500 млн инвестиций, обладает командой, включающей в себя многих «звезд» управляемого термоядерного синтеза.
Скейлинги TAE показывают очень серьезный прогресс и возможность достижения обозначенных целей.
3. Организация: Hellion Energy. Технический уровень: 2.5. Год старта проекта: 2005.
Ключевые люди: Dr. John Slough, Chris Pihl, Dr. George Votroubek Cайт: www.helionenergy.com/
Описание концепции: Идея опять Нормана Ростокера — два FRC вихря разгоняются магнитной системой, сталкиваются, переводя кинетическую энергию в нагрев, и сжимаются (другой) магнитной системой до термоядерных параметров. Импульсный реактор.
Экспертная позиция: Считается, энергетический реактор на этой концепции построить весьма сложно как с точки зрения физики, так и с точки зрения инженерии. Однако основатели Hellion Energy полны оптимизма, и в последнее время перешли от проработок элементов плазменной машины к созданию реактора, который должен проверить масштабируемость идеи. Одна из темных лошадок рынка. Юмористическая оценка сложностей этой концепции от автора другой концепции в данном списке.
4. Организация: General Fusion. Технический уровень: 2.1. Год старта проекта: 2002
Ключевые люди: Dr. Michel Laberge, Michael Delage Cайт: http://generalfusion.com/
Описание концепции: Идея, в чем-то схожая с предыдущей — адиабатическое сжатие двух столкнувшихся FRC. Однако здесь сжимающей средой выступает гигантская капля жидкого металла, в которой паровыми молотами (!) возбуждается сходящаяся сферическая волна. (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: Данная концепция имеет длинную историю развития технологии «имплозии металлическими лейнерами замагниченных плазменных мишеней», и ноги у нее растут из проекта LINUS 1972 года. Идея неплохая на бумаге, но мало исследованная экспериментально. Это видно и по General Fusion — стартап уже ~10 лет очень неплохо финансируется (собрал больше 130 млн долларов), и должен был по планам достичь технического уровня ~3 еще 4 года назад. Однако практически каждый элемент машины вызывает затруднения и цепочку НИОКР, проблемы множатся, а будущее становится более туманным. В настоящее время достижение технического уровня 3 планируется в 2021 году.
5. Организация: Compact Fusion Reactor (Lockheed Martin). Технический уровень: 2.1. Год старта проекта: 2010
Ключевые люди: Dr. Tom McGuire, Mr. Charles Chase Сайт: https://lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html
Описание концепции: Открытая ловушка с внутриплазменными диполями. Позволяет, как и все открытые ловушки достичь высокой доли использования давления магнитного поля (в отличии от токамаков), а значит доступны реакции DD, DHe3.
Экспертная позиция: На самом деле, этот тип магнитных ловушек концептуально уходит еще в 60е годы, и плотно исследовался теоретически и экспериментально. Но похоже, команда CFR истории не знает, поэтому набивает многие шишки самостоятельно. Интересно, что изначальные планы создать реактор «который помещается в грузовик» уже отброшены, и размеры минимального реактора подросли до 7×22 метра. Если дальше экстраполировать опыт работы с этой концепцией на команду CFR, то скоро они должны узнать, что размещать сверхпроводящие катушки прямо внутри идущей термоядерной реакции мягко говоря «не инженерно» и из лаборатории этой концепции скорее всего не удасться выбраться и в этот раз.
6. Организация: Tokamak Energy. Технический уровень: 3.2. Год старта проекта: 2009
Ключевые люди: Jonathan Carling, David Kingham, Michael Graznevitch Сайт: https://www.tokamakenergy.co.uk/
Описание концепции: Сферический токамак — геометрический «округленный» обычный токамак, физика в котором благоприятствует более простому получению термоядерной реакции. Является довольно хорошо разработанной концепцией — в мире работает 22 исследовательских сферических токамака, на крупнейшем из которых получены условия Q~0.1 (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: Сферический токамак обещает зажигание при более простых условиях и меньшем размере, и на первый взгляд из него гораздо проще и дешевле сделать промышленный реактор. Однако сжатая геометрия означает инженерный кошмар и более напряженные условия работы конструкции, в частности в центральной колонне, что может означать простой и быстрый прогресс до технического уровня 5 и полный тупик далее.
7. Организация: Applied Fusion Systems. Технический уровень: 2.2. Год старта проекта: 2015
Ключевые люди: Richard Dinan, Dr. James Lambert Сайт: http://appliedfusionsystems.com/
Описание концепции: Тоже сферический токамак.
Экспертная позиция: Недавно появившийся стартап с неясными перспективами и пока не показавший никакого железа. Один из создателей — ТВ-звезда.
8. Организация: EMCC. Технический уровень: 2.1. Год старта проекта: 1987
Ключевые люди: Dr. Jaeyoung Park, Dr. Paul Sieck, Dr. Robert W. Bussard Сайт: http://www.emc2fusion.org/
Описание концепции: Электростатитческое удержание типа Polywell — в центре камеры создается и удерживается магнитным полем облако электронов, к которому притягиваются ионы дейтерия, разгоняются и сталкиваются друг с другом с термоядерной реакцией. Идейно это фузор с виртуальным катодом.
Экспертная позиция: Существуют сильнейшие сомнения, что подобная конструкция работоспособна в смысле положительного энерговыхода, однако она привлекательна среди любителей простотой реализации, и «улучшайзинг» поливелов похож обычно на метод научного тыка. Фирма EMCC много десятилетий сосала деньги из американского ВМФ на подобную деятельность, показав нулевой прогресс.
9. Организация: Convergent Scientific Inc Технический уровень: 1.5 Год старта проекта: 1987 Ключевые люди: Mr. Devlin Baker, Dr. Joel Rogers, Dr. Matt Moynihan Cайт: http://convsci.com/login
Описание концепции: Тоже polywell, как и предыдущий стартап.
Экспертная позиция: На данный момент эта фирма, похоже умерла, хотя официально об этом не заявлено.
10. Организация: Fusion One Технический уровень: 1.5 Год старта проекта: 2015
Ключевые люди: Mr. Randal Volberg, Dr. Scott Cornish Сайт: https://www.fusionone.co/
Описание концепции: Тоже polywell, как и предыдущий стартап.
Экспертная позиция: Стартап с максимально сомнительными перспективами — как по выбранной концепции, так и по компетенциям основателей. Зато есть картинки «гигаваттный polywell размером 5.5×5.5×5.5 метра» (т.е. плотность снимаемой термоядерной энергии предлагается 16,1 МВт/м^2 — в несколько раз круче ИТЭР).
11. Организация: Lawrenceville Plasma Physics Fusion. Технический уровень: 2.8 Год старта проекта: 1998
Ключевые люди: Eric Lerner, Dr. Syed Hassan, Dr. Robert Terry Сайт: https://lppfusion.com/
Описание концепции: Плазменный фокус — одна из первых идей термоядерного реактора. В торцевом коаксиальном электрическом разряде неустойчивости вызывают сильно сжатие плазменного шнура, приводящее к достижению термоядерных условий.
Экспертная позиция: Плазменный фокус давно используется как технология получения термоядерных нейтронов, в т.ч. подобные устройства используются в качестве импульсных источников нейтронов в ядерных бомбах. Технический уровень «плазменного фокуса», достигнутый в военных научных центрах США и России неизмеримо выше, чем показывает LPPX. В частности, полный ток военных установок на порядок выше. Отсюда можно сделать вывод, что никаких перспектив по созданию термоядерного реактора у стартапа нет, иначе бы этот подход был бы использован специалистами по УТС на госзарплате.
12. Организация: First Light Fusion. Технический уровень: 1.1. Год старта проекта: 2015
Ключевые люди: Paul Hoolligan. Сайт: http://firstlightfusion.com/
Описание концепции: Коллапс сферической мишени с термоядерным топливом проходящей скоростной ударной волной в жидкости. (презентация)
Экспертная позиция: На данный момент это практически ничем не подтвержденная голая концепция, тем не менее получившая какие-то деньги на экспериментальную проверку.
===
На этом классические стартапы, развивающие свои идеи на деньги частных инвесторов и гранты заканчиваются, но есть еще несколько проектов, которые в любом момент могут стать стартапом, и стоит о них упомянуть:
Проект: CT Fusion (Dynomak). Технический уровень: 2.0.
Ключевые люди: Dr. Tom Jarboe, Dr. Aaron Hossack, Mr. Derek Sutherland Сайт: http://www.ctfusion.net/
Описание концепции: Магнитная ловушка, где плазма удерживает себя сложно закрученным вмороженным магнитным полем. По мнению создателей эту концепцию можно довести до термоядерных параметров. (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: Университетский проект, который пытался стать токамаком, и рисовал быстрый прогресс до электростанции. Преимуществом концепции является отсутсвие большой и тяжелой магнитной системы, минусом, по видимому, неясные перспективы масштабирования.
Проект: Hyper-V + The PLX . Технический уровень: 2.0. Ключевые люди: Dr. Scott Hsu, Dr. Doug Witherspoon,
Сайт: http://www.hyperv.com
Описание концепции: Еще один вариант сжатия замагниченной мишени лейнером, в данном случае плазменным из тяжелых благородных газов. В чем-то схож с General Fusion. Сферическая плазменная DT мишень должна сжиматься прилетающими со всех направлений плазменными пучками, которые генерируются плазменными пушками.
Экспертная позиция: Умеренно интересная концепция, которая уже примерно 10 лет находит деньги на эксперименты в ядерных лабораториях США. Из всех импульсных концепций имеет преимущество полностью газовой мишени и драйверов, что позволяет не заботится изготовления новой мишени и уборки обломков старой 10 раз в секунду. С другой стороны с точки зрения параметров сжатия данный эксперимент уже 5–7 лет не показывает особого прогресса, зато показывает прогресс по усложнению планируемого реактора — дорожка, которая чаще всего ведет на кладбище термоядерных концепций.
Проект: MIT ARC. Технический уровень: 2.5.
Ключевые люди: B.N. Sorbom, J.Ball, T.R. Palmer, F.J. Mangiarotti, Сайт: https://arxiv.org/pdf/1409.3540
Описание концепции: Еще один вариант токамака: с сильным полем. Увеличив магнитное поле в 2 раза (что инженерно очень сложно) можно получить прирост мощности в том же объеме плазмы в 16 раз. Концептуально здесь обостряются проблемы с первой стенкой и дивертором, однако выигрыш заметен на глаз. К сожалению, в мире работало мало токамаков с сильным полем, и это направление еще требует своих промежуточных установок. (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: ARC от плазменной лаборатории известного университета MIT представляет собой сплав ярких идей — высокопольный токамак с разборными высокотемпературными сверхпроводящими магнитами, жидкосолевым бланкетом, сокращением систем поддержания тока и т.п. К сожалению, все это великолепие позволяет нарисовать очень классную машину, легко кладующую ИТЭР на лопатки, но в реальности может потребовать десятилетий НИОКР и нахождения проблем, которые заведут токамаки с сильным полем в тупик ровно так же, как и традиционные. Так, например, не так давно было обнаружено, что проводящая жидкость, которую качают поперек сильного магнитного поля может образовывать обратные прокачке течения — такие находки заставляют полностью пересматривать идею создания простых жидкосолевых бланкетов
Проект: NumerEx. Технический уровень: 1.5.
Ключевые люди: Dr. Scott Hsu, Dr. Doug Witherspoon, Сайт: http://www.hyperv.com
Описание концепции: Еще один представитель концепций с сжатием замагниченной плазмы, фактически реанимация идеи LINUS 1972 года. В быстро вращающейся полости цилиндрической формы налит жидкий металл (расплавленный NaK или Li), который раскидан центробежной силой по стенкам и есть пустой канал в центре. В канал инжектируется замагниченная плазменная мишень, а с помощью газовых поршней, металл вытесняется ближе к центру, схлопывая канал и сжимая плазменную мишень.
Экспертная позиция: Концепция LINUS и ее развитие в NumerEx с точки зрения физики довольно неплохи. Однако, даже базовые экспериментальные установки требуют сложной инженерии — рекордных сразу по нескольким параметрам газовых клапанов, больших вращающихся машин, интеграции всего этого с высоким вакуумом и деликатными плазменными инжекторами. Путь к проверке концепции на скейлинг будет не дешевым и не быстрым. С этой точки зрения, творческое переосмысление и инженерная оптимизация, проведенная General Fusion выглядит весьма правильной работой, которую очень сложно переплюнуть.
Проект: ГДМЛ. Технический уровень: 3.5.
Ключевые люди: А.А. Иванов, П.А. Багрянский, А.Д. Беклемишев, Сайт: http://www.inp.nsk.su/
Описание концепции: Открытые ловушки представляют собой простейший вариант магнитного удержания термоядерной плазмы — реакторы постоянного действия. За свою длинную историю они имели несколько взлетов и падений, и достижение новосибирской команды из ИЯФ внушают оптимизм по поводу возможного внезапного выхода ОЛ в фавориты. (моя статья по проекту)
Экспертная позиция: Проект ГДМЛ сочетает в себе как уже проверенные экспериментально, так и пока остающиеся теоретическими идеи, которые вместе оценочно позволяют собрать один из самых лучших (с точки зрения экономики и доступных термоядерных реакций) реакторов среди всех возможных. В настоящий момент упор ИЯФ — на проверке дополнительных идей, которые, в случае реализации, позволяют сделать минимальный ГДМЛ-реактор размерами около 30×3 метров. Удивляет пока только то, что в мире нет ни одного стартапа, который заявил бы в качестве концепции открытую ловушку, видимо по той причине, что повторить опыт и экспериментальную базу ИЯФ слишком дорого для стартапа.
Проект: MagLIF. Технический уровень: 3.1.
Ключевые люди: A.B. Sefkow, S.A. Slutz, J.M Koning Ссылка на обзор: aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.4890298
Описание концепции: Еще один представитель систем со сжатием замагниченных плазменных мишеней. Небольшая цилиндрическая мишень с DT газом нагревается и ионизируется через торец импульсом мощного лазера. В ионизированной плазме внешней катушкой наводится сильное затравочное поле (~10T), после чего через мишень пропускается продольный ток в 25 мегаампер. Магнитное поле тока сжимает мишень по радиусу примерно в 100 раз, заодно разогревая топливо до термоядерных параметров, после чего происходит зажигание. (более подробное описание на русском)
Экспертная позиция: MagLIF — одна из самых красивых термоядерных концепций, появившиеся за последние 10 лет (корни ее, впрочем, тянуться еще к 1982 г.), и продемонстрировавшая в 2014 году очень хорошие экспериментальные результаты (полного согласия с теорией помешало добиться неучтенное «вбивание» внутрь плазмы окна для пропускания лазерного излучения). Видимо, физически эта концепция может добраться до высокого энерговыхода — если создать установку, обеспечивающую импульсный ток в 70 мегаампер, то энерговыход будет в 1000 раз выше энергозатрат.
Впрочем, как и у любых импульсных систем у этой есть две важные сложности, препятствующие реализации электростанций на базе концепта. Это необходимость собирать сложные высокотехнологичные мишени примерно раз в секунду, и вводить их в рабочую камеру, а так же сама рабочая камера, в которой будет взрываться где-то одна тонна тротилового эквивалента каждую секунду. По этим причинам мы врядли когда-нибудь увидим электростанцию с импульсным термоядерным реактором, однако физика тут интересная…
Проект: Wendelstein-7X. Технический уровень: 4.1.
Ключевые люди: Dr. Thomas Klinger, Dr. C Nührenberg, R.C. Wolf, J. KisslingerСсылка на обзор: www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081003152000167
Описание концепции: Стеллараторы — одна из первых концепций замкнутых магнитных ловушек, ровесники и конкуренты токамаков. В токамаках для удержания плазмы на кольцевой орбите используется хитрое сочетание внешних и внутренних индуцированных магнитных полей, которое порождает определенный класс неустойчивостей. Кроме того изначально токамаки — импульсные машины, хотя в последствии в них научились поддерживать ток плазмы неограниченное время. В попытке избавится от этих проблем придуманы стеллараторы — торообразные ловушки с хитрозагрученным магнитным полем.
Экспертная позиция: Стеллараторы были одним из концептов, в которые очень активно вкладывали деньги в 1960х годах (наряду с открытыми ловушками). Однако, подробное изучение физики стеллараторов привело к выводу, что они не годятся для удержания высокотемпературной плазмы. Кроме того, изготовление чудовищно сложных магнитов оказалось технологическим безумием даже для термоядерной науки. Однако, после заката концепции последовала лебединая песня в виде проекта Wendelstein 7-X. Расчет оптимального магнитного поля и синтез магнитов с помощью компьютера в 80х позволило снять вышеописанные проблемы. Однако за это время токамаки ушли далеко вперед и решили основную часть проблем, которые заставляли заниматься стеллараторной альтернативой. Стеллараторы же оказываются слишком сложными и нетехнологичными, что бы претендовать на место в термоядерной электростанции. Таким образом W-7X является потрясающим сверхвысокотехнологичным надгробием одной из концепций термоядерных реакторов.
===
В заключение хочется отметить, что все эти стартапы находятся в США, Канаде и Великобритании. Хотя наиболее благоприятный рынок для развития термоядерных электростанций — наверное Китай, ЮВА, и континентальная Европа (замена угольных ТЭС). Можно сделать вывод, что для инвесторов из других стран это направление пока кажется слишком рискованным и «длинным». И делая такой вывод можно пойти дальше — как только мы увидим первые тайваньские, южнокорейские, японские и китайские стартапы на околотермоядерную тематику, то можно с большой уверенностью говорить, что время термоядерной энергетики пришло.
