Термоядерный синтез: новый подход от Thea Energy

Термоядерный синтез обещает революционизировать энергетический рынок, но стартапам предстоит доказать жизнеспособность и экономическую эффективность своих разработок. Это непростая задача, особенно когда речь идет об использовании массивных магнитов и лазеров, требующих высочайшей точности установки.

Стартап Thea Energy заявляет, что их реактор, вдохновленный пикселями, и специализированное программное обеспечение позволят генерировать энергию без необходимости идеальной точности. «Нам не нужно быть идеальными с самого начала, — говорит Брайан Берзин, соучредитель и генеральный директор Thea Energy. — У нас есть способ устранить несовершенства на этапе эксплуатации».

Термоядерные электростанции обещают поставлять гигаватты чистой энергии, однако высокая стоимость материалов и строительства угрожает их конкурентоспособности по сравнению с дешевыми солнечной и ветровой энергией. Создавая электростанцию, а затем совершенствуя ее с помощью программного обеспечения, Thea Energy может значительно снизить стоимость термоядерной энергии.

Компания публикует детали своего проекта, включая физические принципы, лежащие в его основе. Thea Energy разрабатывает уникальную версию стелларатора — типа реактора, использующего магниты для формирования плазмы. Магниты являются одним из двух основных способов удержания и нагрева плазмы до начала термоядерных реакций. Другой метод, инерционное удержание, использует лазеры или другие силы для сжатия небольших топливных гранул.

В отличие от традиционных стеллараторов, чьи магниты имеют сложную форму, Thea Energy использует дюжину крупных и сотни мелких магнитов для создания так называемого «виртуального» стелларатора. Вместо того чтобы изготавливать магниты по сложной форме, Thea Energy разработала свой реактор на основе небольших, идентичных сверхпроводящих магнитов, расположенных массивами. Программное обеспечение позволяет управлять каждым магнитом индивидуально, создавая магнитные поля, имитирующие сложную форму стелларатора.

Такой подход имеет ряд преимуществ. Во-первых, он позволил Thea Energy быстро итерировать дизайн магнитов. За последние два года компания более 60 раз модифицировала дизайн. «В большинстве термоядерных компаний вы имеете дело с магнитами размером с автомобиль или лазерами такого же размера. Это означает, что один компонент стоит 20 миллионов долларов и изготавливается два года», — отмечает Берзин.

Также стало возможным использовать программное управление для компенсации любых неровностей при изготовлении или установке магнитов. Для проверки оригинальной системы управления Thea Energy создала массив из трех на трех магнитов с датчиками. Система управления, основанная на законах электромагнетизма, показала хорошие результаты. Компания также обучила новую систему с помощью обучения с подкреплением.

«Мы намеренно создавали проблемы для массива, — говорит Берзин. — Мы специально сместили магнит более чем на сантиметр. Было очевидно, что он сильно выбивается из линии. Нам было очень сложно изготовить его настолько плохо». Команда также тестировала сверхпроводящие материалы от пяти разных производителей, а также намеренно дефектные материалы. «Каждый раз, когда мы это делали, система управления, без нашего вмешательства, смогла устранить эти дефекты», — добавил он.

Реактор Thea Energy, Helios, будет использовать два типа магнитов. Снаружи 12 крупных магнитов четырех разных форм будут удерживать плазму. Внутри этих больших катушек 324 более мелких круглых магнита будут точно настраивать форму плазмы.

Стартап прогнозирует, что Helios будет генерировать 1,1 гигаватт тепловой энергии, которая будет преобразована в 390 мегаватт электричества с себестоимостью ниже 150 долларов за мегаватт-час. Реактор потребует остановки для 84-дневного технического обслуживания раз в два года. При благоприятном развитии событий это означает, что коэффициент использования мощности составит 88%, что значительно превосходит показатели современных газовых электростанций и почти сравнимо с атомными электростанциями.

Helios пока находится на концептуальной стадии. Thea Energy сначала должна построить Eos — свое первое термоядерное устройство, предназначенное для подтверждения научной концепции. Берзин сообщил, что компания объявит местоположение Eos в 2026 году, а запуск планируется «около 2030 года». Параллельно с созданием Eos, Thea Energy планирует начать работу над Helios. Этот подход схож с тем, как Commonwealth Fusion Systems работает над Arc, своей первой коммерческой электростанцией, одновременно строя демонстрационную установку Sparc.

Берзин с нетерпением ожидает реакции сообщества специалистов по термоядерному синтезу. «Это публикация обзорной статьи. За ней последует значительный объем работ, который будет опубликован после рецензирования», — заявил он. «Сейчас самое время для нас наладить партнерские отношения, сотрудничество, привлечь конечных пользователей для строительства первого реактора».