Глубоко под пустыней Невада в 1980-х годах США проводили секретные исследования ядерного оружия.

Среди экспериментов была попытка выяснить, можно ли вызвать на Земле в контролируемых условиях ядерный синтез, реакцию, которая питает Солнце.

Эксперименты были засекречены, но среди физиков было широко известно, что результаты были многообещающими.

Эти знания привлекли внимание двух молодых аспирантов, работавших в Лос-Аламосской национальной лаборатории в конце 2000-х годов, Коннера Гэллоуэя и Александра Валиса.

Лаборатория Лос-Аламоса была первоначально создана в 1943 году как сверхсекретный объект для разработки первого ядерного оружия. Расположенный недалеко от Санта-Фе, штат Нью-Мексико, сейчас это научно-исследовательский центр правительства США.

«Когда мы с Алексом узнали об этих испытаниях в Лос-Аламосе, наша реакция была такой: «Ух ты, инерционный синтез уже сработал!». Гранулы лабораторного масштаба были воспламенены, детали были засекречены, но было обнародовано достаточно, чтобы мы знали, что воспламенение было достигнуто», — говорит г-н Галлоуэй.

Ядерный синтез — это процесс слияния ядер водорода, который производит огромное количество энергии. В результате реакции образуется гелий, а не долгоживущие радиоактивные отходы процесса деления, которые используются на существующих атомных электростанциях.

Если термоядерный синтез удастся использовать, он обещает обильную электроэнергию, вырабатываемую без образования CO2.

Эти испытания в 1980-х годах привели к тому, что правительство США построило в Калифорнии Национальную установку зажигания (NIF) — проект, призванный проверить, можно ли зажечь таблетки ядерного топлива с помощью мощного лазера.

После более чем десятилетней работы в конце 2022 года исследователи НИФ совершил прорыв. Ученые провели первый эксперимент по контролируемому термоядерному синтезу, в ходе которого в результате реакции было получено больше энергии, чем вырабатывалось лазерами, вызвавшими ее.

В то время как физики всего мира восхищались этим прорывом, учёным из НИФ потребовалось гораздо больше времени, чем ожидалось.

«Они испытывали энергетический голод», — говорит г-н Галлоуэй.

Он не имеет в виду, что им нужно было больше закусок, вместо этого лазер НИФ был достаточно мощным, чтобы воспламенить топливную таблетку.

Гэллоуэй и Валис считают, что более мощные лазеры позволят построить работающую термоядерную реакцию, которая сможет подавать электричество в энергосистему. Для этого они основали Xcimer в Денвере.

НИФ пришлось довольствоваться лазером, способным выкачивать энергию в два мегаджоуля. Гэллоуэй и Валис планируют экспериментировать с лазерами, способными подавать энергию до 20 мегаджоулей.

«Мы думаем от 10 до 12 [megajoules] это наилучшее место для коммерческой электростанции», — говорит г-н Галлоуэй.

Такой лазерный луч мог бы нанести мощный удар по топливной капсуле. Это все равно, что взять энергию 40-тонного сочлененного грузовика, движущегося со скоростью 60 миль в час, и сосредоточить ее на капсуле размером в сантиметр на несколько миллиардных долей секунды.

Более мощные лазеры позволят Xcimer использовать более крупные и простые топливные капсулы, чем NIF, которому было сложно их усовершенствовать.

Xcimer присоединяется к десяткам других организаций по всему миру, пытающихся построить работающий термоядерный реактор.

Существует два основных подхода. Разрушение топливной таблетки лазерами подпадает под категорию термоядерного синтеза с инерционным удержанием.

Другой способ, известный как термоядерный синтез с магнитным удержанием, использует мощные магниты для улавливания горящего облака атомов, называемого плазмой.

Оба подхода сталкиваются с огромными инженерными проблемами, которые необходимо преодолеть.

В частности, как извлечь тепло, выделяющееся во время термоядерного синтеза, чтобы можно было сделать с ним что-нибудь полезное, например, запустить турбину для выработки электричества?

«Полагаю, мой скептицизм заключается в том, что я еще даже не видел убедительной концептуальной схемы того, как управлять процессом отвода энергии, сохраняя при этом реакцию термоядерного синтеза», — говорит профессор Ян Лоу из Университета Гриффита в Австралии.

Свою долгую карьеру он посвятил исследованиям и политике в области энергетики. Хотя профессор Лоу поддерживает развитие термоядерной технологии, он просто утверждает, что работающий термоядерный реактор не появится достаточно быстро, чтобы помочь снизить выбросы CO2 и решить проблему изменения климата.

«Меня беспокоит то, что даже самая оптимистичная точка зрения заключается в том, что нам повезет, если к 2050 году у нас появятся коммерческие термоядерные реакторы. И задолго до этого нам нужно обезуглероживать энергоснабжение, если мы не собираемся расплавить планету», — сказал он. говорит.

Другая проблема заключается в том, что в результате реакции синтеза образуются частицы высокой энергии, которые разрушают сталь или любой другой материал, покрывающий активную зону реактора.

Представители термоядерной индустрии не отрицают инженерных проблем, но считают, что их можно преодолеть.

Xcimer планирует использовать «водопад» расплавленной соли, обтекающий зону реакции термоядерного синтеза, для поглощения тепла.

Основатели уверены, что смогут запускать лазеры и заменять топливные капсулы (по одной каждые две секунды), сохраняя при этом поток топлива.

Поток расплавленной соли также будет достаточно толстым, чтобы поглощать частицы высокой энергии, которые потенциально могут повредить реактор.

«У нас просто есть два относительно небольших лазерных луча, исходящих с каждой стороны. [of the fuel pellet]. Таким образом, вам нужен только зазор в потоке, достаточно большой для этих лучей, и вам не придется выключать и включать весь поток», — говорит г-н Валис.

Но как быстро они смогут заставить такую ​​систему работать?

Xcimer планирует экспериментировать с лазерами в течение двух лет, прежде чем построить целевую камеру, в которой они смогут нацеливаться на топливные таблетки.

Последним этапом станет работающий реактор, который, как они надеются, будет подключен к электросети в середине 2030-х годов.

Для финансирования первого этапа своей работы Xcimer собрала 100 миллионов долларов (77 миллионов фунтов стерлингов). Деньги будут использованы для строительства объекта в Денвере и прототипа лазерной системы.

Для строительства работающего реактора потребуются еще сотни миллионов долларов.

Но для основателей Xcimer и других термоядерных стартапов перспектива дешевой, безуглеродной электроэнергии является непреодолимой.

«Вы знаете, это изменит траекторию возможного прогресса человечества», — говорит г-н Валис.