Після історичного прориву. Термоядерна енергія — порятунок людства чи утопія, яка все ж таки не здійсниться?

То що змінилося?

Своє оновлення отримали часові рамки. Скептики говорять про те, що термоядерний синтез стане великомасштабним джерелом енергії десь у другій половині цього століття. Оптимісти, яких щороку стає дедалі більше, запевняють — до енергетичної революції залишилося чекати 10−20 років.

Нині індустрія термоядерної енергетики стає схожою на космічну. Якщо раніше космосом опікувалися виключно урядові компанії на кшталт NASA, то зараз SpaceX або Blue Origin — компанії, що належать приватним особам, — є досить сильними гравцями на ринку.

Те саме відбувається і з термоядерною енергетикою — на ринку виникає дедалі більше компаній, які не мають жодного зв’язку з урядами. Їх підтримують інвестиції з боку технологічних компаній, банків і навіть великих нафтогазових компаній, які у такий спосіб намагаються розширити свій низьковуглецевий інвестиційний портфель через постійне зростання тиску на їхній основний бізнес.

Згідно з нещодавнім опитуванням FIA, інвестиції в глобальну термоядерну промисловість лише за минулий рік зросли більш ніж удвічі — з $2,1 млрд у 2021 році до $4,7 млрд в 2022 році.

Багато стартапів, які працюють над технологією, з’явилися в останні кілька років. Станом на кінець 2021 року у всьому світі налічувалося 35 приватних компаній, ще 12 готувалися до запуску.

«Настрій змінився. Ми відчуваємо, що наближаємося до своєї мети», — каже Томас Клінгер, фахівець із термоядерного синтезу з Інституту фізики плазми ім. Макса Планка (IPP) у німецькому Грайфсвальді.

Що таке ядерний синтез? Це безпечно?

Зараз людство набагато краще знайоме з концепцією поділу ядра, коли нейтрон розщеплює атом, вивільняючи енергію. Про небезпеку цього виду енергетики Україна знає не з чуток завдяки Чорнобилю; до того ж ці процеси залишають по собі чимало радіоактивного сміття, яке необхідно утилізувати.

Синтез діє, грубо кажучи, за зворотним принципом — ядра легких атомних елементів дейтерію і тритію зливаються в нагрітій плазмі, перетворюючись на гелій і виділяючи енергію. Термоядерні реактори ще досі є експериментальними, проте потенційно вони зможуть виробляти більше енергії, ніж за допомогою розподілу; водночас вони є безпечними й екологічними, адже вони не виділяють радіоактивні елементи внаслідок синтезу.

Безпека є однією із ключових переваг термоядерних реакторів. Новий Чорнобиль неможливий в умовах термоядерної реакції, адже у разі будь-яких проблем плазма миттєво згасає й остигає, а ядерна реакція зупиняється.

«Під час роботи зі злиттям ядер неможливо довести все до аварії; після синтезу не залишається відходів, які довго лежатимуть у землі; використовувати [злиття ядер] для створення зброї також неможливо. Це знімає проблему енергетичної безпеки, яка турбує світ більше ніж понад століття», — каже Крістофер Моурі, генеральний директор General Fusion — канадського стартапу, який спонсорує Джефф Безос.

Насправді саме ця властивість плазми — «відключатися» за будь-яких несприятливих умов — одночасно є частиною найважливішої проблеми, яка зараз стоїть перед вченими та інженерами.

До цього часу жоден проєкт не міг отримати більше енергії, ніж потрібно для підтримки реакції. Це пов’язано з високими температурами (плазму необхідно нагрівати до 100−150 млн °C), щільністю і тиском, необхідними для запуску процесу термоядерного синтезу.

Довгий час найкращим результатом активного термоядерного реактора JET було отримання 67% від витраченої на реакцію енергії. Влітку 2021-го цей рекорд оновили фізики з Ліверморської національної лабораторії Лоуренса, досягнувши виділення 70% витраченої енергії. Варто зазначити, що у 2013 році фахівці взагалі змогли видобути лише 0,73% витраченої енергії, через що проєкт хотіли закрити через безперспективність.

Тепер команді вдалося досягти прориву, про який протягом довгого часу ми могли лише мріяти. Так, вченим вдалося позитивний баланс енергії під час термоядерного синтезу. Простіше кажучи, дослідники вперше реально добули енергію за допомогою ядерної реакції.

«Цей результат наближає нас на один значний крок до можливості отримання енергії термоядерного синтезу з нульовим вмістом вуглецю. Якщо ми зможемо розвинути термоядерну енергетику, ми зможемо використовувати її для виробництва екологічно чистої електроенергії, транспортного палива, важкої промисловості і багато чого іншого», — так досягнення вчених коментує міністерка енергетики США Дженніфер Гранхолм.

Головна термоядерна програма планети

Найбільшою програмою є Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (ITER), який будують на півдні Франції. У проєкт вклалися 35 країн, які інвестували понад $22 млрд, і натепер він є демонстрацією зусиль і реальності досягнення позитивного балансу енергії за допомогою ядерного синтезу. Докладніше про його роботу ми писали у цьому матеріалі.

Робота над конструкцією реактора розпочалася 1988 року, а його будівництво розпочали аж 2008 року — як і в багатьох інноваційних великих проєктах, терміни часто зриваються і переносяться, а деякі обговорення займають набагато більше часу, ніж планувалося на початку.

В основі реакцій, які проводять вчені ITER, лежить установка під назвою токамак — вакуумна камера у формі пончика з магнітними котушками, які утримують і стискають плазму. Ізотопи водню — дейтерій і тритій — нагріваються до температури близько 150 млн градусів за Цельсієм. Так газ перетворюється на плазму, яку контролює магнітне поле, що дає можливість зіштовхувати ядра дейтерію і тритію, щоб перетворити їх на гелій і виділити енергію.

Фахівці ITER планують запустити перші реакції до 2025 року; повноцінний запуск реактора заплановано на 2035 рік.

Наступним кроком стане демонстраційна електростанція, яка вперше постачатиме в мережу термоядерну електроенергію. Серед заявлених цілей — постійне отримання 500 МВт енергії при введенні 50 МВт у реактор плюс супутні енергетичні витрати на технічне обслуговування станції.

Тім Люс, керівник відділу науки та експлуатації ITER упевнений, що нам доведеться почекати ще як мінімум пів століття, щоб термоядерна енергія почала робити свій внесок у структуру енергобалансу. За його словами, кожне джерело енергії, яке ми розробляли в минулому столітті, вимагало близько 30 років з моменту його першого запуску, щоб досягти щонайменше 1% у частині світового енергетичного ринку. Однак Люс упевнений, що інвестиції рано чи пізно виправдають себе.

«Якщо ми плануємо прожити більше 100 років, було б вкрай недалекоглядно всім світом інвестувати виключно в те, що окупиться через 20 років», — каже вчений.

Великі проєкти на кшталт ITER навряд чи досягнуть успіху досить швидко, щоб допомогти декарбонізації та боротьбі людства зі змінами клімату. Вони радше працюють як маркер, який демонструє зростання потенціалу нового напряму енергетики.

Хто справді може змінити правила гри?

Набагато більш оптимістично налаштовані приватні компанії. Однією з головних переваг приватного сектору є різноманітність підходів, яка недоступна державним підприємствам через їхню повільність і бюрократизацію процесів. Вони можуть використовувати різноманітні новітні технології, а також способи аналітики, які державні компанії не можуть впроваджувати настільки ж оперативно.

Переважна більшість представників приватних компаній упевнені — термоядерний синтез зможе ефективно виробляти електроенергію вже до 2030 року.

Раніше ми писали про успіх вчених із Массачусетського технологічного інституту. Вони впевнені, що досягли «переломного моменту», побудувавши найпотужніший у світі термоядерний магніт, який може досягати потужності в 20 тесла — цього достатньо, щоб підняти й утримувати в повітрі величезний авіаносець. Чим потужніший магніт, тим краще він може утримувати плазму в токамаку, що збільшує швидкість виробництва енергії.

Цей магніт виконаний у формі літери D вагою 10 тонн, а його поверхня покрита 300 кілометрами спеціальної стрічки. Її називають «інженерним подвигом, на розробку якого пішли десятиліття». На стрічку нанесено тонкі шари оксиду рідкоземельного оксиду міді, який під час охолодження є дуже сильним надпровідником.

Томас Клінгер з IPP пояснює, що такі магніти «змінюють правила гри». Звичайні надпровідники потребують охолодження рідким гелієм. Для інженерів це справжній кошмар: в’язкість рідкого гелію майже дорівнює нулю, що дає йому можливість просочуватися через будь-які крихітні тріщини. Тут можна використовувати рідкий азот, який набагато дешевше і легше зберігати.

«Компанії починають будувати такі речі, які раніше міг створювати виключно уряд», — каже Боб Мамгаард, виконавчий директор компанії Commonwealth Fusion Systems, яка також планує використовувати подібний магніт для свого мінітокамака.

Альтернативи токамаку

Однією з перших термоядерних установок був стеларатор, у якому магнітні поля вибудовані у вигляді вісімки, утворюючи «магнітну пляшку», яка заповнюється плазмою. Однак у 1950-х роках, коли про стеларатори вперше заговорили всерйоз, у вчених не було обчислювальної техніки, яка могла б обслуговувати таку складну установку. Потім з’явилися токамаки, і дослідники перейшли на них.

Проте з появою суперкомп’ютерів, стеларатори знову стали актуальними. Зараз у Німеччині працює проєкт Wendelstein 7-X (W 7-X), який частково фінансується із бюджету країни.

Останні дослідження показують великий потенціал подібних установок: W 7-X працюює значно стабільніше за токамаки. Це спонукало деякі стартапи (американські Type One Energy та Princeton Stellarators, французька Renaissance Fusion) та дало їм можливість залучити інвестиції на розробку власних стелараторів.

«У стелараторах легше утримувати плазму, бо ми не маємо необхідності пропускати через неї сильні електричні струми [як це потрібно робити в токамаках — прим.], щоб стримувати нестабільність», — каже фізик-ядерник Джозефіна Пролл з Технологічного університету Ейндховена. Однак ми перебуваємо лише на самому початку шляху: W 7-X — це перший подібний реактор, через що кожен наступний крок має бути максимально зваженим і прорахованим.

Фахівці з Ліверморської національної лабораторії Лоуренса, про яких ми вже згадували вище, використали зовсім інший метод: інерційне утримання плазми вважається простішим і, що найголовніше, дешевшим способом видобути термоядерну енергію.

Фахівці лабораторії спрямовують 192 величезні лазери розміром з три футбольні поля до центру камери запалювання. Там міститься паливна таблетка з дейтерієм і тритієм. Лазери світять на неї з усіх боків, розжарюючи стан плазми і дуже сильно її стискаючи. Так атоми водню стискаються в гелій, поступово вивільняючи альфа-частинки, які «вилітають» з розігрітої плазми внаслідок підтримуваної реакції.

Цього літа вченим вдалося досягти історичного прориву, про який дослідники з усього світу мріяли десятиліттями — вони зафіксували перший випадок «термоядерного запалювання».

Це такая точка термоядерної реакції, по досягненню якої вона здатна підтримувати себе без додаткового втручання. Тобто реакція виробляє достатньо енергії, щоб атоми водню продовжували зіштовхуватися без впливу з боку інженерів, які в іншому випадку мають підтримувати реакцію, «вливаючи» в плазму енергію з інших джерел, щоб вона не остигала.

По суті, момент запалювання означає, що термоядерна реакція виробила достатньо енергії, щоб підтримувати саму себе — це і є ключем до того, щоб надалі виробляти електроенергію з термоядерних джерел.

Компанія First Light Fusion, що відокремилася від Оксфордського університету у Великобританії в 2011 році, використовує не лазери, а електромагнітний снаряд, який спрямовує невеликий шматок матеріалу в ціль, що містить ізотопи водню. Деталі цього процесу компанія зберігає в таємниці, проте зазначає, що для досягнення термоядерного запалення вченим потрібно винайти спосіб запускати матеріал зі швидкістю 50 км/с — удвічі швидше, ніж під час останніх експериментів.

Канадська компанія General Fusion використовує ще один підхід — злиття намагніченої цілі. Тут плазма стискається повільніше — наприклад, поршнями, яким допомагає магнітне поле, що запобігає розсіюванню тепла при стисканні плазми.

У реакторі використовується центрифуга, яка обертає заповнену розплавленим літієм і свинцем камеру. Рух відкриває порожнину в рідкому металі, де міститься плазма. Поршні закачують у камеру більше розплавленого металу, стискаючи при цьому плазму — таким чином починається злиття. Потім тиск скидається, після чого процес повторюється щомиті імпульсами. У General Fusion впевнені — цей спосіб «забезпечить енергією будинки, підприємства та промисловість чистою, надійною та доступною термоядерною енергією до 2030 року».

Чи справді все настільки успішно?

Багато вчених упевнені — приватні компанії спеціально говорять про швидкий успіх, аби залучити інвестиції. Однак далеко не завжди це означає їхню здатність підкріпити слова на ділі.

«Приватні компанії кажуть, що через десять років це працюватиме, але це лише для того, щоб залучити спонсорів. Всі вони постійно заявляють, що перебувають приблизно за десять років від працюючого термоядерного реактора, і вони досі продовжують це робити», — каже Тоні Донне, програмний менеджер консорціуму Eurofusion.

Фредерік Бордрі, колишній співробітник ЦЕРН, упевнений, що у 2030 році у нас не буде термоядерної енергії в електромережах, оскільки технологія ще досі не готова. Ба більше, дослідникам доведеться пройти через різні бюрократичні процедури на кшталт ліцензування технології, вивчення її безпеки та оцінки управління відходами. Бордрі готовий «поставити чималу суму», що синтез буде корисний як мінімум через 30−40 років.

Водночас Кім Буділ, директорка Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, впевнена, що зараз до комерціоналізації технології потрібно почекати «кілька десятиліть».

Проте останні дослідження вчених, а також масштабування досліджень, розробок та технологій показують, що ядерний синтез — це не утопія, як вважалося раніше. Досягнення термоядерного запалювання — це неймовірно важливий крок, який показує, що ми дійсно рухаємося у правильному напрямку, проте робота ще далека від завершення.

«Я переконаний, що рано чи пізно ми зламаємо цю технологію. І це повністю змінить світ», — каже Кріс Келсалл, виконавчий директор Tokamak Energy.

Дисклеймер: оригінал статті було написано 25 листопада 2021 року. Стаття відредагована та оновлена 13 грудня 2022 року.