Microsoft только что сделала огромную ставку на термоядерный синтез

Ученые десятилетиями мечтали о ядерном синтезе. Который даст неограниченную энергию и не будет угрожать радиацией. Microsoft считает, что технология почти готова. И теперь ставит на это миллиарды. Предыдущая большая ставка компании — на OpenAI и её ИИ-системы — оправдалась с лихвой. За полгода с момента релиза ChatGPT капитализация компании выросла на 670 миллиардов долларов. Таким интересом со стороны инвесторов и близко не могут похвастаться Google, Apple и Amazon. Посмотрим, сможет ли Сатья Наделла провернуть всё это второй раз, только возможно в ещё большем масштабе.

Чистая энергия всем, кто этого захочет, почти без постоянных затрат — звучит как фантастика. С момента выдвижения теории о возможности такой реакции в 1951 году (в рамках секретного проекта «Маттерхорн» минобороны США), многие десятилетия особых продвижек в этом направлении не наблюдалось. Хотя над проблемой активно работал Курчатов, и после его смерти в Курчатовском институте всё-таки смогли на короткое время создать термоядерную плазму.

Следующей значимой датой стало 30 октября 1997 года, когда в объединённом европейском токамаке-реакторе JET в Великобритании удалось достичь мощности ядерного энерговыделения на уровне 16 МВт, что примерно равнялось мощности плазменных потерь. То есть, этот реактор работал в «ноль». Это получило название режима «перевала» — равенства тепловых потерь горячей зоны реактора и энергетического выхода реакции термоядерного синтеза. Но даже такой результат длился примерно секунду.

Позже более крупные токамаки смогли поддерживать режим «перевала» уже длительностью в десятки секунд. Но в целом их тепловые потери всё еще сильно превышали общее энерговыделение. То есть как реакторы они, мягко говоря, не годятся.

В 2010-е годы российские исследователи из Института ядерной физики СО РАН на установке ГДЛ (ГазоДинамическая Ловушка) сумели во много раз увеличить температуру нагрева плазмы. И в 2016 году довели её до рекордных 10 миллионов градусов по Цельсию. Время удержания плазмы составило несколько миллисекунд, но даже такой результат можно считать прорывом. Он позволяет всерьез задуматься над проектом термоядерного реактора на основе таких технологий. Ожидается, что он может быть реализован в течение ближайших 20-30 лет

Большие надежды теперь возлагаются на Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). Окончание его постройки запланировано на конец 2025 года. На этом реакторе планируется провести исследования поведения высокотемпературной плазмы и разных материалов, которые могли бы использоваться для промышленного реактора.

Ну а самый ощутимый результат пока что показала модель инерциального термоядерного синтеза, запускаемого с помощью лазеров. В декабре 2022 года в США в комплексе NIF («Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций») ученые впервые в истории добились положительного выхода энергии в процессе термоядерного синтеза. Им удалось получить около 3,15 мегаджоуля энергии, что в полтора раза превысило направленную лазерами в мишень энергию (2,05 мегаджоуля).

Конечно, как для какой-нибудь электростанции это очень скромные цифры, но в качестве доказательства работы концепта — это уже очень многое. Термоядерный синтез впервыепринёс какой-то плюсовой результат. Это был триумф, которого ждали больше пятидесяти лет.

В то же время речь там шла всего лишь о превышении выделившейся энергии над энергией, непосредственно переданной в мишень. Общее количество энергии, затраченной на питание 192 лазеров установки, составляло 322 МДж. То есть КПД «генератора энергии» в этом эксперименте составляло менее 1%. Если попытаться запитать страну такими реакторами, нужно будет срочно построить в 100 раз больше обычных электростанций.

То есть, по всем параметрам и на какую технологию ни смотри, до полноценного термоядерного реактора, способного питать города, нам нужны ещё многие десятилетия.

И тут вдруг — Microsoft. Компания, которая известна своими операционными системами. На днях заключает контракт о создании в скором времени полноценной работающей большой термоядерной станции. Откуда это внезапно? Конечно, технология в последние годы развивалась, но… Уже?!

Microsoft только что подписала большое соглашение о покупке электроэнергии от термоядерного генератора. Её обязуется предоставить компания под названием Helion Energy. Согласно соглашению, она должна подключить первый в мире коммерческий термоядерный генератор к электросети в 2028 году, и с его помощью запитывать дата-центры Microsoft в Вашингтоне.

Генерировать планируется не менее 50 мегаватт электроэнергии. По сравнению с АЭС это, конечно, очень немного в среднем те производят порядка 3200 мегаватт. Но в то же время это в два раза больше, чем у средней гидроэлектростанции. И ощутимо больше, чем 42 МВт, которые сегодня генерируют первые две тестовые ветряные электростанции, расположенные в открытом море у берегов США.

В общем, для пилотного проекта это довольно значимая мощность. Её достаточно чтобы обеспечивать потребности 60 000 человек. К тому же, такой термоядерный генератор, если он будет рабочим, — это практически Святой Грааль. Неограниченное электричество, не зависящее ни от погоды, ни от локации, ни от редкого топлива, и при этом не рискующее чем-то серьезно загрязнить планету. Вещь настолько желанная, что есть с полсотни голливудских фантастических фильмов, где подобная технология являлась главной движущей силой злодея или героя. Чего стоят хотя бы «Человек-паук 2» с его Доктором Осьминогом или «Железный человек» с неограниченным источником энергии — миниатюрным термоядерным (дуговым) реактором — в его груди.

Сказать, что воплотить такую научную фантастику в жизнь — сложнейшая задача, было бы ничего не сказать. Раньше оптимистичные оценки экспертов в отношении того, когда мир сможет увидеть свою первую термоядерную электростанцию, хотя бы и совсем маломощную, сходились на периоде от 2040 до 2050 года. Пессимисты же говорили, что в больших масштабах технология может быть слишком сложной, и нет никаких гарантий, что в реальности всё получится.

Успех Helion Energy сейчас зависит от достижения ряда технологических прорывов за очень короткий промежуток времени. А потом ещё нужно будет вывести эту технологию на коммерческий уровень. Они делают ставку на технологию ускорителя плазмы. Который будет повышать температуру термоядерного топлива (в их случае состоящего из дейтерия и гелия-3) до 100 миллионов градусов Цельсия. Такие температуры могут расплавить любой металл, но на месте это топливо удерживают мощные магниты. По мере расширения плазмы, она резко отталкивает магнитное поле. По закону Фарадея, изменение поля вырабатывает ток. Который установка напрямую собирает за счет «высокоэффективного импульсного подхода»™.

У компании есть видео на Ютубе, которое иллюстрирует процесс подробнее:

Чтобы всё это проверить в значимых масштабах, они сейчас ускоренно строят седьмую итерацию своего генератора. 20-метровый Полярис — будет самым крупным их устройством, с очень большой частотой повторения термоядерных импульсов. Их предыдущий генератор, Трента, показал, что их теоретические выкладки сходятся, температура плазмы в 100 миллионов градусов достигается, и энергию так действительно можно получать. Хотя импульсы там шли максимум раз в десять минут, а запитать всем этим можно было разве что пару лампочек. Тем не менее Helion очень уверены в себе. Особенно после получения поддержки от Microsoft, обладающей почти неограниченными финансами.

Основатель и генеральный директор Helion Дэвид Киртли говорит в интервью GeekWire, что они заключили ««Обязывающее соглашение, которое влечет за собой большую финансовые санкции, если мы не сможем построить термоядерную систему. Мы взяли на себя обязательство создать эту систему до 2028 года и продавать энергию Microsoft в приоритетном порядке, но по коммерческой стоимости».

Если компания справится — у них будет первая в мире электростанция, работающая на ядерном синтезе. С технологией, которая имитирует то, как свет и тепло создаются на нашем Солнце. Ученые пытались воспроизвести этот процесс контролируемым образом с 1950-х годов. Но тогда смогли воспроизвести это только неконтролируемым образом — например, создав водородную бомбу.

Helion утверждает, что их реакция полностью безопасна. Нет большого риска утечки (плазма сразу охладится), нет проблемы радиоактивных отходов (поскольку не происходит расщепления атомов и выделения различных элементов). Плюс это очень экологично — здесь не тратятся никакие ограниченные ресурсы.

В конечном итоге их машина будет восстанавливать всё электричество, используемое на первом этапе для запуска реакции. Его нужно очень много — для зарядки магнитов, периодически сжимающих плазму в устройстве, пока она не нагреется до нужного уровня. На это тратится масса энергии, но, Киртли говорит, что потом они электрически восстанавливают всю ту энергию, которую вкладывали. Что позволит строить более крупные системы, не нуждающиеся в размещении рядом с существующими электростанциями.

На самом деле, получение достаточного количества топлива гелия-3 может стать еще одной серьезной проблемой: пока что не существует возможности производить его в коммерческих количествах. Большая часть гелия-3 сохранилась на Земле с момента её образования, но он постоянно (как и гелий-4) улетучивается в космос через атмосферу. В то же время этот редкий изотоп активно используется в квантовых вычислениях и медицинской визуализации. Есть даже планы добычи его на Луне: он легкий и дорогой, так что это может быть выгодно.

Helion, впрочем, заявляет, что запатентовала процесс получения гелия-3 путем сплавления атомов дейтерия в своем плазменном ускорителе. Если это правда, то им даже не придется его закупать, так что они смогут работать полностью автономно. Получать дейтерий можно через изотопный обмен между водой и сероводородом, или водородом и аммиаком.

Но даже в этом случае. Если предположить, что Helion сумеет всё это осуществить, она все равно должна убедиться, что сможет работать коммерчески выгодным образом. Стоимость электроэнергии, которую производит их термоядерный реактор, должна быть сопоставима или ниже, чем у сегодняшних электростанций. Компания не сообщает, какую цену она согласовала в соглашении о продаже электроэнергии в Microsoft. Но Киртли говорит, что их глобальная цель — снизить стоимость энергии до 1 цента за киловатт-час (сейчас в США — в среднем 15 центов в час, в России, если перевести рубли в доллары — около 7 центов в час). Они считают, что это достижимо в пределах десяти-пятнадцати лет.

Helion была основана в 2013 году и сейчас насчитывает около 150 сотрудников со штаб-квартирой в Эверетте, штат Вашингтон. На ранних этапах деньги в компанию вкладывали NASA, Минобороны США и Министерство энергетики США. Потом в дело включился целый ряд частных инвесторов через Y Combinator в 2014 году.

Одним из самых значимых инвесторов в Helion Energy стал Сэм Альтман, основатель OpenAI. В 2021 году Альтман вложил в Helion $375 миллионов своего личного капитала, а всего компания тогда получила $2,2 млрд инвестиций. После этого он начал продвигать идею вложения в Helion внутри самой Microsoft. Долгое время такая сделка казалась слишком рискованной, но после того, как OpenAI выпустила ChatGPT, и это принесло компании огромные дивиденды, вес мнения Альтмана внутри Microsoft сильно повысился.

Сколько на днях вложила компания, заключив эксклюзивную сделку по поставке термоядерной энергии — пока не сообщается. Но известно, что речь идёт как минимум о нескольких миллиардах (возможно — десятках миллиардов) долларов. Альтман говорил в интервью CNBC, что, по его мнению, эти две сделки Microsoft — вложение в OpenAI и в Helion Energy — являются самыми важными в истории компании. Потому что могут определить будущее человечества.

То есть, по сути, Альтман пытается действовать как Илон Маск, стараясь сформировать будущее, и привлекая под это финансы. Только вместо обращения своих усилий в космос, он хочет развивать новые технологии здесь, на Земле. Как сообщает The Washington Post, Альтман теперь является председателем совета директоров Helion и крупнейшим частным инвестором в компанию.

«Объединение усилий с Helion поддерживает наши собственные долгосрочные цели в области экологически чистой энергии и будет продвигать рынок к созданию нового, эффективного метода быстрой доставки чистой энергии в электросеть», — сказал Брэд Смит, вице-председатель и президент Microsoft, в пресс-релизе.

Если учесть, что раньше первый промышленный термоядерный генератор ожидался никак не раньше 2040 года, возникает вопрос — а не слишком ли они торопятся? Может быть, стоило бы развиваться постепенно, а не связывать себя конкретными сроками? К чему такая спешка вообще — сделать всё в ближайшие пять лет?

В интервью CNBC Дэвид Киртли, CEO Helion Energy, поясняет:

«Мы здесь не для того, чтобы создавать системы в лаборатории. Мы здесь, чтобы продавать электроэнергию. Это всегда было мечтой», — говорит Альтман.

Правда, до сих пор установки Helion не смогли вырабатывать больше электричества, чем они используют для запуска термоядерного синтеза. Так что, кажется, впереди у фирмы много работы.

На такой скептицизм Альтман отвечает, что «Было много людей, которые сомневались в ИИ. Мы видели то же самое ещё полгода назад. Сейчас, внезапно, всё это изменилось».

«Либо технология будет работать, либо нет. Нам еще предстоит решить много серьезных проблем — как мы собираемся добиться сверхнизкой стоимости, как производить энергию в больших масштабах. Но мы чувствуем себя очень уверенно в своих способностях делать физику», — сказал Альтман. — «Я думаю, что людям нормально сомневаться. Единственный способ, которым мы в конечном итоге уменьшим это сомнение, — это если мы покажем людям, что это действительно работает в коммерческих условиях, например, выполнив условия этой сделки».

За последний год Helion добилась прогресса в решении некоторых ключевых проблем. Например, компания начала производить собственные конденсаторы (что-то вроде сверхэффективных аккумуляторов), что раньше являлось одной из их очень значительных капитальных затрат. Также они научились сами производить свое очень редкое топливо, гелий-3. Ранее они получали его из стратегических резервов правительства США.

Сейчас Helion должна продемонстрировать, что её устройства могут надежно работать в течение длительного периода времени, и что если их масштабировать, они станут более энергоэффективными, чем сейчас. Если компании удастся добиться успеха в этих моментах, это станет важной вехой для всей индустрии. Это будет действительно сигнал о том, что наступает эра термоядерного синтеза — и гораздо быстрее, чем мы ожидали.