TAE Technologies розробляє революційний термоядерний реактор на протон-борному паливі

Людство здавна мріяло відтворити сили, що створили наш світ. Ця мрія знайшла своє втілення в розвитку різних технологій отримання енергії — від примітивного спалювання вугілля та деревини до відкриття електрики та використання атомної енергії.

У 1930-х роках німецькі науковці, спираючись на відкриття Енріко Фермі щодо розщеплення атомів нейтронами, усвідомили потенціал ядерної енергії. До 1950-х років були створені перші атомні електростанції, які сьогодні забезпечують близько десятої частини світового виробництва електроенергії.

Паралельно науковці почали досліджувати можливості термоядерного синтезу — процесу, що живить Сонце та зорі. Попри десятиліття наполегливих досліджень, спроби відтворити цю енергетично багату реакцію з використанням дейтерію та тритію мали обмежений успіх.

Заснована 1998 року каліфорнійська компанія TAE Technologies обрала альтернативний підхід. Компанія розробляє реактор, що працює на протон-борному безнейтронному синтезі — реакції, де замість ізотопів водню використовується звичайний водень та нерадіоактивний бор-11. Мета проєкту — розробити комерційну термоядерну енергетику з мінімальним впливом на довкілля.

Усі спроби здійснити термоядерний синтез потребують камер, здатних витримувати температури в мільйони градусів Цельсія та колосальний тиск, необхідний для злиття ізотопів. Це вимагає величезних енергетичних затрат, які донедавна перевищували енергію, що виділялася під час реакції.

Більшість дослідників термоядерного синтезу, включно з проєктом ITER у Франції, використовують реакторні камери типу токамак у формі бублика, де потік плазми утримується електромагнітами подалі від стінок. Токамак використовує тороїдальне магнітне поле для утримання водневої плазми при температурах, достатніх для запуску термоядерної реакції.

Однак проєкти токамаків зіткнулися з проблемами зростання вартості та недотримання термінів, попри окремі прориви. З часом їхні конструкції ставали дедалі масивнішими, з величезними надпровідними магнітними котушками та складними системами електромагнітного нагрівання.

На тлі обмежених можливостей вітрової та сонячної енергетики уряди та приватні інвестори почали активно вкладати кошти в проєкти ядерного синтезу та поділу. Зокрема, в Оук-Ріджі, штат Теннессі, виділено 60 мільйонів доларів державного фінансування для розвитку обох напрямків атомної енергетики.

Реактор TAE Technologies кардинально відрізняється від токамаків та стелараторів. У 2017 році компанія представила реактор п'ятого покоління Norman, розроблений для утримання стабільної плазми при температурі 30 мільйонів градусів Цельсія. За п'ять років машина довела здатність підтримувати стабільну плазму при температурі понад 75 мільйонів градусів.

Цей успіх дозволив TAE залучити фінансування для створення реактора шостого покоління Copernicus та планувати розробку комерційного реактора Da Vinci. Між ними компанія розробила реактор Norm, який використовує інший тип термоядерної реакції та новий дизайн, що створює плазму виключно за допомогою впорскування нейтральних пучків.

Конструкція TAE відмовляється від тороїдального поля на користь лінійного магнітного поля, заснованого на принципі «конфігурації з оберненим полем» (FRC) — простішому та ефективнішому способі побудови комерційного реактора. Замість масивних магнітних котушок, FRC змушує плазму створювати власне магнітне поле утримання.

Система впорскування нейтральних пучків у Norm зменшила розмір, складність та вартість порівняно з Norman до 50%. За твердженням TAE, реактор FRC не лише менший та економічніший у виробництві й експлуатації, але й здатний виробляти до 100 разів більше термоядерної енергії порівняно з токамаком при однаковій силі магнітного поля та об'ємі плазми.

Реактор FRC також може працювати на протон-борному безнейтронному синтезі, який замість нейтронів продукує три альфа-частинки та значну кількість енергії. Менша кількість нейтронів спричиняє менше пошкоджень реактора, а енергію, що вивільняється у вигляді заряджених частинок, легше використовувати. Потрібно менше захисного екранування, а бор-11 відносно поширений і не радіоактивний.

За словами генерального директора TAE Мічі Біндербауера, технологія FRC суттєво знизила ризики для проєкту Copernicus. Якщо Norm виправдає очікування, це прискорить шлях до комерційного водень-борного синтезу — безпечного, чистого та практично невичерпного джерела енергії. Компанія сподівається, що термоядерна енергія стане нормою вже до середини 2030-х років.