После исторического прорыва. Термоядерная энергия — спасение человечества или утопия, которая все же не осуществится?

Так что изменилось?

Свое обновление получили временные рамки. Скептики говорят о том, что термоядерный синтез станет крупномасштабным источником энергии где-то во второй половине этого столетия. Оптимисты, которых ежегодно становится все больше, уверяют, что до энергетической революции осталось ждать 10−20 лет.

В настоящее время индустрия термоядерной энергетики становится похожей на космическую. Если раньше космосом занимались исключительно правительственные компании вроде NASA, то сейчас SpaceX или Blue Origin — принадлежащие частным лицам компании — являются достаточно сильными игроками на рынке.

То же происходит и с термоядерной энергетикой — на рынке возникает все больше компаний, не имеющих никакой связи с правительствами. Их поддерживают инвестиции со стороны технологических компаний, банков и даже крупных нефтегазовых компаний, которые таким образом пытаются расширить свой низкоуглеродистый инвестиционный портфель из-за постоянного роста давления на их основной бизнес.

Согласно недавнему опросу FIA, инвестиции в глобальную термоядерную промышленность только за прошлый год выросли более чем вдвое — с $2,1 млрд в 2021 году до $4,7 млрд в 2022 году.

Многие стартапы, работающие над технологией, появились в последние несколько лет. По состоянию на конец 2021 года по всему миру насчитывалось 35 частных компаний, еще 12 готовились к запуску.

«Настроение изменилось. Мы чувствуем, что приближаемся к своей цели», — говорит Томас Клингер, специалист по термоядерному синтезу из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в немецком Грайфсвальде.

Что такое ядерный синтез? Это безопасно?

Сейчас человечество гораздо лучше знакомо с концепцией разделения ядра, когда нейтрон расщепляет атом, высвобождая энергию. Об опасности этого вида энергетики Украина знает не понаслышке благодаря Чернобылю; к тому же эти процессы оставляют после себя немало радиоактивного мусора, который нужно утилизировать.

Синтез действует, грубо говоря, по обратному принципу — ядра легких атомных элементов дейтерия и трития сливаются в нагретой плазме, превращаясь в гелий и выделяя энергию. Термоядерные реакторы до сих пор являются экспериментальными, однако потенциально они смогут производить больше энергии, чем посредством распределения; в то же время они безопасны и экологичны, ведь они не выделяют радиоактивные элементы вследствие синтеза.

Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерных реакторов. Новый Чернобыль невозможен в условиях термоядерной реакции, ведь при любых проблемах плазма мгновенно угасает и остывает, а ядерная реакция останавливается.

«При работе со слиянием ядер невозможно довести все до аварии; после синтеза не остается отходов, долго будут лежать в земле; использовать [слияние ядер] для создания оружия также невозможно. Это снимает проблему энергетической безопасности, которая беспокоит мир более чем на протяжении столетия», — говорит Кристофер Моури, генеральный директор General Fusion — канадского стартапа, спонсируемого Джеффом Безосом.

На самом деле именно это свойство плазмы — «отключаться» при любых неблагоприятных условиях — одновременно является частью важнейшей проблемы, которая сейчас стоит перед учеными и инженерами.

До сих пор ни один проект не мог получить больше энергии, чем требуется для поддержки реакции. Это связано с высокими температурами (плазму необходимо нагревать до 100−150 млн °C), плотностью и давлением, необходимыми для запуска процесса термоядерного синтеза.

Долгое время лучшим результатом активного термоядерного реактора JET было получение 67% от израсходованной на реакцию энергии. Летом 2021 года этот рекорд обновили физики из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, достигнув выделения 70% затраченной энергии. Стоит отметить, что в 2013 году специалисты вообще смогли добыть лишь 0,73% израсходованной энергии, из-за чего проект хотели закрыть из-за бесперспективности.

Теперь команде удалось достичь прорыва, о котором в течение долгого времени мы могли лишь мечтать. Исследователям удалось получить положительный баланс энергии во время термоядерного синтеза. Проще говоря, ученым впервые удалось реально добыть энергию с помощью ядерной реакции.

«Этот результат — большой шаг к возможности получения энергии термоядерного синтеза с нулевым содержанием углерода. Если мы сможем развить термоядерную энергетику, мы сможем использовать ее для производства экологически чистой электроэнергии, транспортного топлива, тяжелой промышленности и многого другого», — комментирует достижение ученых министр энергетики США Дженнифер Гранхолм.

Главная термоядерная программа планеты

Крупнейшей программой является Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER), который строят на юге Франции. В проект вложились 35 стран, которые инвестировали более $22 млрд, и в настоящее время он является демонстрацией усилий и реальности достижения положительного баланса энергии посредством ядерного синтеза. Подробнее о его работе мы писали в этом материале.

Работа над конструкцией реактора началась в 1988 году, а его строительство началось в 2008 году — как и во многих инновационных крупных проектах, сроки часто срываются и переносятся, а некоторые обсуждения занимают гораздо больше времени, чем планировалось изначально.

В основе реакций, проводимых учеными ITER, лежит установка под названием токамак — вакуумная камера в форме пончика с магнитными катушками, удерживающими и сжимающими плазму. Изотопы водорода — дейтерий и тритий — нагреваются до температуры около 150 млн градусов по Цельсию. Так газ превращается в плазму, контролируемую магнитным полем, что дает возможность сталкивать ядра дейтерия и трития, чтобы превратить их в гелий и выделить энергию.

Специалисты ITER планируют запустить первые реакции к 2025 году; полноценный запуск реактора намечен на 2035 год.

Следующим шагом станет демонстрационная электростанция, которая впервые будет поставлять в сеть термоядерную электроэнергию. Среди заявленных целей — постоянное получение 500 МВт энергии при введении 50 МВт в реактор плюс сопутствующие энергетические затраты на техническое обслуживание станции.

Тим Люс, руководитель отдела науки и эксплуатации ITER уверен, что нам придется подождать еще как минимум полвека, чтобы термоядерная энергия начала вносить свой вклад в структуру энергобаланса. По его словам, каждый источник энергии, который мы разрабатывали в прошлом веке, потребовал около 30 лет с момента его первого запуска, чтобы достичь не менее 1% в части мирового энергетического рынка. Однако Люс уверен, что инвестиции рано или поздно оправдают себя.

«Если мы планируем прожить более 100 лет, было бы крайне недальновидно всем миром инвестировать исключительно в то, что окупится через 20 лет», — говорит ученый.

Большие проекты типа ITER вряд ли добьются успеха достаточно быстро, чтобы помочь декарбонизации и борьбе человечества с изменениями климата. Они скорее работают как маркер, демонстрирующий рост потенциала нового направления энергетики.

Кто может изменить правила игры?

Гораздо более оптимистично настроены частные компании. Одним из главных преимуществ частного сектора является разнообразие подходов, которые недоступны государственным предприятиям из-за их медленности и бюрократизации процессов. Они могут использовать различные новейшие технологии, а также способы аналитики, которые государственные компании не могут внедрять столь же оперативно.

Подавляющее большинство представителей частных компаний уверены, что термоядерный синтез сможет эффективно производить электроэнергию уже к 2030 году.

Ранее мы писали об успехе ученых из Массачусетского технологического института. Они уверены, что достигли «переломного момента», построив самый мощный в мире термоядерный магнит, который может достигать мощности в 20 тесла — этого достаточно, чтобы поднять и удерживать в воздухе огромный авианосец. Чем мощнее магнит, тем лучше он может удерживать плазму в токамаке, что увеличивает скорость производства энергии.

Этот магнит выполнен в форме буквы D весом 10 тонн, а его поверхность покрыта 300 км специальной ленты. Ее называют «инженерным подвигом, на разработку которого ушло десятилетие». На ленту нанесены тонкие слои оксида редкоземельного оксида меди, который во время охлаждения очень сильный сверхпроводник.

Томас Клингер из IPP объясняет, что такие магниты «изменяют правила игры». Обычные сверхпроводники нуждаются в охлаждении жидким гелием. Для инженеров это настоящий кошмар: вязкость жидкого гелия почти равна нулю, что дает ему возможность проникать через любые крошечные трещины. Здесь можно использовать жидкий азот, который гораздо дешевле и легче хранить.

«Компании начинают строить такие вещи, которые раньше могло создавать исключительно правительство», — говорит Боб Мамгаард, исполнительный директор компании Commonwealth Fusion Systems, которая также планирует использовать подобный магнит для своего мини-токамака.

Альтернативы токамака

Одной из первых термоядерных установок был стелларатор, в котором магнитные поля выстроены в виде восьмерки, образуя «магнитную бутылку», заполняемую плазмой. Однако в 1950-х годах, когда о стеллараторах впервые заговорили всерьез, у ученых не было вычислительной техники, которая могла бы обслуживать такую сложную установку. Затем появились токамаки, и исследователи перешли на них.

Однако с появлением суперкомпьютеров стеллараторы снова стали актуальными. Сейчас в Германии работает проект Wendelstein 7-X (W 7-X), частично финансируемый из бюджета страны.

Последние исследования показывают большой потенциал подобных установок: W 7-X работает значительно стабильнее токамаков. Это подстегнуло некоторые стартапы (американские Type One Energy и Princeton Stellarators, французская Renaissance Fusion) и дало им возможность привлечь инвестиции на разработку собственных стеллараторов.

«В стеллараторах легче удерживать плазму, потому что у нас нет необходимости пропускать через нее сильные электрические токи [как это нужно делать в токамаках — прим.], чтобы сдерживать нестабильность » , — говорит физик-ядерщик Джозефина Пролл из Технологического университета Эйндховена. Однако мы находимся только в самом начале пути: W 7-X — это первый подобный реактор, поэтому каждый следующий шаг должен быть максимально взвешенным и просчитанным.

Специалисты из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, о которых мы уже упоминали выше, использовали совсем другой метод: инерционное содержание плазмы считается более простым и, что самое главное, более дешевым способом извлечь термоядерную энергию.

Специалисты лаборатории направляют 192 огромных лазера размером с три футбольных поля в центр камеры зажигания. Там содержится топливная таблетка с дейтерием и тритием. Лазеры светят на нее со всех сторон, накаляя состояние плазмы и очень сильно ее сжимая. Так атомы водорода сжимаются в гелий, постепенно высвобождая альфа-частицы, которые «вылетают» из разогретой плазмы вследствие поддерживаемой реакции.

Ранее этим летом ученым удалось добиться исторического прорыва, о котором исследователи со всего мира мечтали десятилетиями — они зафиксировали первый случай «термоядерного зажигания».

Это такая точка термоядерной реакции, по достижении которой она способна поддерживать себя без дополнительного вмешательства. То есть реакция производит достаточно энергии, чтобы атомы водорода продолжали сталкиваться без воздействия со стороны инженеров, которые в противном случае должны поддерживать реакцию, «вливая» в плазму энергию из других источников, чтобы она не остывала.

По сути момент зажигания означает, что термоядерная реакция выработала достаточно энергии, чтобы поддерживать саму себя — это и является ключом к тому, чтобы в дальнейшем производить электроэнергию из термоядерных источников.

Компания First Light Fusion, отделившаяся от Оксфордского университета в Великобритании в 2011 году, использует не лазеры, а электромагнитный снаряд, направляющий небольшой кусок материала в цель, содержащую изотопы водорода. Детали этого процесса компания хранит в секрете, однако отмечает, что для достижения термоядерного зажигания ученым нужно изобрести способ запускать материал со скоростью 50 км/с — вдвое быстрее, чем в последних экспериментах.

Канадская компания General Fusion использует еще один подход — слияние намагниченной цели. Здесь плазма сжимается медленнее — например, поршнями, которым помогает магнитное поле, предотвращающее рассеяние тепла при сжатии плазмы.

В реакторе используется центрифуга, вращающая заполненную расплавленным литием и свинцом камеру. Движение открывает полость в жидком металле, где находится плазма. Поршни закачивают в камеру больше расплавленного металла, сжимая при этом плазму — таким образом начинается слияние. Затем давление сбрасывается, после чего процесс повторяется ежесекундно импульсами. В General Fusion уверены — этот способ «обеспечит энергией дома, предприятия и промышленность чистой, надежной и доступной термоядерной энергией до 2030 года».

Действительно ли все так успешно?

Многие ученые уверены, что частные компании специально говорят о быстром успехе, чтобы привлечь инвестиции. Однако далеко не всегда это означает их способность подкрепить слова на деле.

«Частные компании говорят, что через десять лет это будет работать, но это только для того, чтобы привлечь спонсоров. Все они постоянно заявляют, что находятся примерно в десяти годах от работающего термоядерного реактора, и они до сих пор продолжают это делать», — говорит Тони Донне, программный менеджер консорциума Eurofusion.

Фредерик Бордри, бывший сотрудник ЦЕРН, уверен, что в 2030 году у нас не будет термоядерной энергии в электросетях, поскольку технология еще не готова. Более того, исследователям придется пройти через различные бюрократические процедуры вроде лицензирования технологии, изучения ее безопасности и оценки управления отходами. Бордри готов «поставить немалую сумму», что синтез будет полезен как минимум через 30−40 лет.

Однако последние исследования ученых, а также масштабирование исследований, разработок и технологий показывают, что ядерный синтез — это не утопия, как считалось ранее. Достижение термоядерного зажигания — это невероятно важный шаг, показывающий, что мы действительно двигаемся в правильном направлении, однако работа еще далека от завершения.

«Я убежден, что рано или поздно мы сломаем эту технологию. И это полностью изменит мир», — говорит Крис Келсалл, исполнительный директор Tokamak Energy.

Дисклеймер: оригинал статьи написан 25 ноября 2021 года. Статья отредактирована и обновлена 13 декабря 2022 года.