Революционная лазерная технология, представленная американской компанией TAU Systems, призвана сделать возможности ускорителей частиц высокой энергии досягаемыми для инженеров и ученых во всем мире, с потенциальным применением в широком спектре областей, включая атомную. Стартап из Техаса планирует предложить свои первые коммерческие сервисные центры в 2027 году, после того как прототипы начнут применяться уже в 2024 году.
Ускорители TAU используют лазерную технологию для того, чтобы заставить электроны "серфинговать" на трехмерных плазменных волнах и разогнать их до высоких энергий. Лазеры могут создавать гораздо более интенсивные поля, чем в обычных ускорителях частиц, что позволяет достигать более высоких энергий на гораздо меньших расстояниях, а это значит, что усторойста можно сделать значительно меньше.
Сама концепция не нова: теоретические представления о лазерном ускорителе электронов были впервые опубликованы исследователями из Калифорнийского университета в 1979 году, но в то время лазерные технологии не были достаточно развиты, чтобы перевести концепцию из теории в практику. Все изменилось в 1990-х годах, с разработкой импульсных лазеров - работы, за которую Донна Стрикланд и Жерар Муру получили Нобелевскую премию по физике в 2018 году, сказал изданию World Nuclear News основатель и генеральный директор TAU Мануэль Хегелих.
"Есть две вещи, которые делают его таким потенциально мощным и отличным от обычного ускорителя частиц", - пояснил Мануэль Хегелих, - "Во-первых, поля намного сильнее, поэтому мы можем уменьшить всю конструкцию и сделать ее намного компактнее, а во-вторых, с помощью этих лазеров мы можем ускорять и создавать все различные виды частиц на одном устройстве".
"По сути, одна и та же модель может ускорять электроны или протоны или даже создавать нейтроны или мюоны, и мы можем получать все эти гамма-лучи, рентгеновские лучи - вы можете получать все эти различные частицы и ароматы света, терагерцовое излучение - там, где с обычными ускорителями вам нужна отдельная модель для каждого из них. И каждый из этих ускорителей - размером с университетский городок", - добавил он.
Обычные ускорители предлагают "фантастические" возможности, но сам размер и стоимость таких конструкций означает, что их очень ограниченное количество по всему миру и доступ к ним ограничен.
"Это то, что мы хотим изменить. Мы хотим демократизировать доступ к этим очень мощным исследовательским инструментам", - говорит Мануэль Хегелич, - "Есть много стран, в которых нет ускорителей частиц, потому что они просто недостаточно богаты, чтобы позволить себе их, но они могли бы позволить себе одну из наших небольших моделей, которые могут делать если не все, что может делать большой ускоритель, то большую часть того, что может делать он", - добавил специалист.
Мануэль Хегелич, который является профессором Техасского университета в Остине (UT), основал стартап TAU Systems в 2021 году, получив стартовые инвестиции в размере 15 миллионов долларов США от инвестора-учредителя Лукаша Гадовски. Продемонстрировав работу своей лазерной технологии в лабораторных условиях в UT, компания теперь налаживает академические и промышленные партнерства для ее дальнейшего развития, стремясь предложить свои первые продукты для продажи уже в 2024 году, а к 2027 году начать продажу полноценных рентгеновских лазеров на свободных электронах - или XFEL - систем. Промышленный прототип ускорителя может быть готов в течение 4-5 лет.
Ускорители TAU "комнатного размера" будут пригодны для применения во многих областях. По словам Хегелича, в ядерной области потенциал технологии для использования в неразрушающем исследовании материалов (например, для обеспечения внешнего источника нейтронов для проверки на месте глубоких сварных швов или для тестирования материалов, необходимых для поддержки разработки современных реакторов и их ядерного топлива) может быть реализован в относительно ближайшей перспективе.
Мануэль Хегелих (слева) и главный операционный директор TAU Джером Пейн в лабораторииОднако, если смотреть дальше, компактные ускорители частиц с лазерным приводом могут стать революционными для таких ядерных приложений, как подкритические сборки с ускорителями. Нейтроны, образующиеся при распылении в ускорителе, используются для работы подкритического реактора, потенциально использующего торий в качестве топлива. Этот процесс также может быть связан с технологией обычных ядерных реакторов для преобразования долгоживущих радиоизотопов в отработанном ядерном топливе в более короткоживущие продукты деления.
Согласно информации Всемирной ядерной ассоциации, в таких системах используются нейтроны, вырабатываемые ускорителем, которые направляются на сборку бланкета, содержащего отходы вместе с делящимся топливом. После захвата нейтронов тяжелые изотопы в сборке бланкета делятся, производя энергию. Такие системы считаются более безопасными, чем обычные ядерные реакторы деления, поскольку они останавливаются при отключении входного сигнала от ускорителя.
Концепция реакторных систем на ускорителях уже разрабатывается - в ближайшие несколько лет в Бельгии должно начаться строительство прототипа реактора под названием MYRRHA (Multipurpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications), и работа над компонентами для него уже ведется. Однако, согласно информации из MYRRHA, линейный ускоритель для этой установки будет иметь длину около 400 метров. По словам Хегелиха, такая система могла бы работать на микроускорителе.
"Это, конечно, решило бы огромную часть нашей проблемы отходов", - сказал Мануэль Хегелих, - "Если мы сможем построить такие системы, и если они будут достаточно малы, то, возможно, вы даже сможете разместить одну или две такие системы рядом с каждой крупной атомной электростанцией - ведь именно там хранятся отходы - а площадки уже разрешены, и если это небольшая система, то она поместится на существующей площадке".
"Для меня это очень, очень захватывающая перспектива и видение", - констатировал молодой ученый-предприниматель, - “Ключевым направлением развития, которое сейчас необходимо для того, чтобы это произошло, является дальнейшее увеличение средней мощности лазера, но преимущества от работы по развитию лазеров в других областях, включая ОПК, перейдут и в этот сектор. Это также означает, что цепочки поставок будут развиваться, цены будут снижаться. Я думаю, что через пять-десять лет мы будем в состоянии действительно серьезно заняться этим".
