Американская компания Cambridge Heavy Industries разрабатывает компактную установку для управляемого термоядерного синтеза, которая помещается на лабораторном столе. Вместо множества мощных лазеров, используемых в других установках с инерциальным удержанием плазмы, система применяет два основных лазера и особую последовательность световых импульсов для сжатия топливной мишени.

Стартап работает в небольшой лаборатории неподалеку от Массачусетского технологического института (MIT) и недавно привлек $6,2 млн посевных инвестиций. В перспективе компания рассчитывает построить электростанцию на основе своей технологии, но до этого планирует заняться производством трития — редкого изотопа водорода, который необходим многим разрабатываемым термоядерным реакторам.

Зачем термоядерному реактору настольный размер

Термоядерный синтез обычно ассоциируется с крупными исследовательскими комплексами, мощными магнитами или лазерными системами. Cambridge Heavy Industries выбрала другой подход: ее нынешняя установка достаточно мала, чтобы проводить эксперименты в лаборатории без строительства масштабной инфраструктуры.

По словам сооснователя и генерального директора компании Юнь Кая, компактная модульная конструкция позволяет выполнять от 50 до 80 экспериментальных запусков в день. Это дает возможность быстро проверять различные параметры установки, сравнивать результаты и совершенствовать конструкцию.

Полученные данные компания намерена использовать для компьютерного моделирования с применением искусственного интеллекта. Алгоритмы должны помочь оптимизировать устройство и ускорить поиск наиболее эффективных режимов работы.

Недавно Cambridge Heavy привлекла $6,2 млн в рамках посевного раунда. Его возглавил фонд Azolla Ventures, к финансированию также присоединились Overlay, Neta Foundation, P3A, MassCEC и семья Ротрок.

Как два лазера помогают сжать термоядерное топливо

В основе разработки лежит инерциальное удержание: топливную мишень сжимают мощными лазерными импульсами, создавая условия для термоядерной реакции. Этот принцип уже продемонстрировал возможность получить в ходе контролируемого эксперимента больше энергии термоядерного синтеза, чем поступило непосредственно в топливо. Однако такой результат сам по себе не означает, что вся установка вырабатывает больше энергии, чем потребляет.

Cambridge Heavy пытается добиться необходимых условий с помощью относительно небольшого числа лазеров. В системе используются два основных лазера, один из которых разделяет свет на несколько пучков. Они направляются на плоскую круглую топливную мишень кольцами.

Импульсы приходят не одновременно, а в определенной последовательности — от внешних колец к внутренним. Первый импульс запускает волну сжатия, движущуюся к центру мишени. Следующие импульсы подаются в рассчитанные моменты, усиливая эту волну и дополнительно сжимая топливо.

Когда ударная волна достигает центральной области, второй лазер воздействует на мишень, повышая температуру и создавая магнитное поле. При достаточных температуре и давлении ядра топлива могут начать сливаться, выделяя энергию.

По словам Кая, конструкция позволяет создавать высокое давление при сравнительно небольшой мощности лазеров. Идея возникла в лаборатории химика MIT Кита Нельсона, где ученые изучали поведение материалов в экстремальных условиях. По мере увеличения давления исследователи обнаружили, что приближаются к условиям, необходимым для термоядерного синтеза.

Пока речь идет о разрабатываемой технологии: компактный размер и частые экспериментальные запуски облегчают исследования, но сами по себе не доказывают, что установка сможет обеспечить энергетически выгодную работу электростанции.

Зачем стартапу тритий за $30 тысяч за грамм

До создания электростанции Cambridge Heavy намерена использовать компактные установки для производства трития — радиоактивного изотопа водорода, который планируется применять в топливных системах многих термоядерных реакторов.

По оценке, приведенной в материале TechCrunch, тритий сегодня стоит около $30 тыс. за грамм. При этом его мировые запасы крайне ограничены: по данным публикации, сейчас существует всего около 40 кг этого вещества.

Для одной электростанции может потребоваться сравнительно немного трития — порядка нескольких граммов в год. Но если термоядерная энергетика начнет масштабироваться, совокупный спрос может превысить доступные поставки.

В исследовании, на которое ссылается TechCrunch, прогнозируется, что без появления новых источников к 2054 году отрасли может не хватать около 28 кг трития. По сегодняшним ценам это соответствует примерно $840 млн.

Таким образом, производство изотопа может стать для Cambridge Heavy отдельным источником дохода еще до появления собственной электростанции. Это особенно важно, поскольку разработка и масштабирование термоядерных технологий требуют времени.

Впрочем, производство трития само по себе связано с техническими сложностями. Отрасль разрабатывает топливные системы, которые позволят реакторам восполнять запасы изотопа самостоятельно, хотя периодическое пополнение все равно может потребоваться. По словам Кая, на создание таких систем может уйти до десяти лет.

Электростанция — цель примерно на десятилетие

В долгосрочных планах Cambridge Heavy — построить энергетическую установку на основе своей технологии. По оценке Кая, на это может уйти около десяти лет. Будущая система будет значительно крупнее лабораторного прототипа, но, как ожидает компания, компактнее многих других проектов термоядерных электростанций. Ее размеры он сравнил примерно с площадью двух баскетбольных площадок.

Главная задача такого этапа — проверить, сможет ли технология обеспечивать достаточную выработку энергии для полноценной электростанции. До этого предстоит решить вопросы масштабирования, надежности и эффективности всей системы.

Компактный реактор, который можно быстро модифицировать и многократно испытывать, дает стартапу возможность быстрее проверять инженерные гипотезы. А производство трития потенциально может помочь финансировать дальнейшую разработку. Но пока Cambridge Heavy предстоит пройти путь от лабораторной установки до системы, способной стабильно производить полезную энергию в промышленных масштабах.