Звезды зажигают
Оптимистический взгляд на коммерческое будущее термоядерных технологий
У идеи приручить в самое ближайшее время энергию, бушующую внутри звезд, по-прежнему есть оптимистичные сторонники и скептичные противники. Первые сегодня утверждают, что до появления термоядерной станции, поставляющей электроэнергию в сеть, осталось примерно десять лет. В пользу этого говорит тот факт, что в последние годы термоядерный синтез начал привлекать инвесторов и все больше частных компаний, а правительства США, Великобритании, Китая и других государств продвигают и поддерживают самые смелые проекты. Рассказываем о некоторых важных научных достижениях последнего времени и основанных на них больших коммерческих планах разных стран.
Энергетическая безубыточность
В декабре 2022 года США объявили о научном прорыве. Ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) впервые в истории осуществили реакцию термоядерного синтеза, которая дала в 1,5 раза больше энергии, чем было потрачено на ее запуск. Мировое научное сообщество отнеслось к этому сообщению осторожно. Эксперты оценивали результаты около года и лишь затем согласились с выводами авторов эксперимента.
Еще в 1960-е годы ученые обосновали возможность запуска реакции синтеза с использованием мощных лазеров для быстрого нагрева термоядерного топлива. Из-за инерции образовавшаяся плазма не успевает разлететься (это состояние называют инерциальным удержанием), создавая температуру и давление, необходимые для преодоления энергии отталкивания протонов. Расчеты показывают, что с повышением температуры плазмы скорость реакции и саморазогрев системы должны быстро нарастать, поэтому для поддержания синтеза будет требоваться все меньше энергии от внешних источников.
Эксперимент LLNL проводился на установке National Ignition Facility (NIF) — крупнейшей и самой мощной лазерной системе в мире. 192 лазера доставили до алмазной капсулы с топливом (220 мкг смеси дейтерия и трития) 2,05 МДж энергии. Масштабы таковы: установка NIF — размером со стадион, а капсула — с горошину перца. Чтобы выполнить термоядерное зажигание, капсулу поместили в хольраум — миниатюрную золотую цилиндрическую камеру. В результате взаимодействия лазера и хольраума генерируется рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает капсулу, создавая центральную точку температурного максимума внутри таблетки, где и происходит термоядерная реакция. В месте фокусировки лазеров в момент импульса было создано давление до 600 млрд атмосфер и температура 151 млн °C, при этом внутренняя часть капсулы сжалась до плотности, в 100 раз превышающей плотность свинца, заставляя атомы изотопов водорода сливаться в гелий. Примерно через 70 триллионных секунды капсула взорвалась, и произошел выброс энергии 3,15 МДж.
В течение 2023 года, после ряда усовершенствований, коснувшихся лазеров, капсулы с топливом, самого топлива и условий зажигания, были получены еще более впечатляющие результаты: выход 3,5 МДж, а затем 3,88 МДж при той же энергии входа, то есть коэффициент в итоге достиг почти 1,9. Это стало наивысшим на сегодняшний день достижением в сфере инерциального термоядерного синтеза. Правда, для того чтобы начался полностью самоподдерживающийся процесс, капсула должна выделять примерно в 30 раз больше энергии, чем она поглощает. Однако, по мнению ученых, уже достигнутый успех знаменует начало новой эры в термоядерных исследованиях.
Разумеется, до коммерческого применения технологии еще слишком далеко. Энергия, потраченная на питание 192 лазеров и поддержку процесса, превышает 400 МДж, то есть КПД NIF как энергетической установки пока меньше 1%. Тем не менее компания Longview Fusion Energy, опираясь на результаты NIF, заключила контракт на проектирование первой в мире коммерческой электростанции с технологией лазерного термоядерного синтеза. Планируется, что станция Longview будет использовать гораздо более эффективные и мощные лазеры, чем NIF. Компания предполагает, что пилотная термоядерная установка, которая первоначально будет работать на мощности 50 МВт, сможет поставлять электричество в сеть к началу 2030-х. В период с 2030 по 2050 год компания планирует вывести на рынок установку мощностью 440 МВт.
Уборка на орбите
Японский стартап EX-Fusion представил план по уничтожению космического мусора с помощью лазеров, разработанных для термоядерного синтеза. Предполагается, что технологию можно использовать, не отправляя при этом лазеры в космос, а управляя ими с помощью специальных зеркал. Первоначально EX-Fusion будет работать с обломками менее 10 см в диаметре, которые лазерный луч будет замедлять, пока их орбитальная скорость не снизится настолько, что они упадут и сгорят в атмосфере Земли. По некоторым оценкам, в настоящее время вокруг нашей планеты вращается около 100 трлн частей старых спутников, которые могут повредить активные спутники, затруднить астрономические наблюдения и даже помешать запуску ракет в космос.
Магниты vs лазеры
На Объединенном европейском токамаке (Joint European Torus, JET) в конце 2023 года также был установлен рекорд по количеству произведенной энергии. Исследователи получили 69 МДж в результате термоядерной реакции, продолжавшейся 5 секунд, и превзошли свой предыдущий результат 2022 года на 10 МДж. Энергия, которая высвободилась из 0,21 мг термоядерного топлива, эквивалентна той, которую можно получить при сжигании 2 кг угля. Авторы итогового пресс-релиза не преминули отметить, что по выходу энергии они в 20 раз превзошли коллег из Ливермора, но, как и в случае NIF, на проведение эксперимента потребовалось гораздо больше энергии, чем было произведено в результате реакции.
Рекорд был установлен во время заключительной серии экспериментов: JET, проработавший 40 лет, будет выведен из эксплуатации. Но опыт, полученный на нем (в том числе демонстрация возможности стабилизации края плазмы у стенки камеры), дал важные результаты для будущего ИТЭР, где также будет использоваться дейтерий-тритиевое топливо. Магниты JET с медной обмоткой позволили осуществлять термоядерный синтез в течение пяти секунд, но более длительная реакция привела бы к их перегреву. ИТЭР будет оснащен сверхпроводниковыми магнитами, которые позволят процессу продолжаться дольше, возможно более 300 секунд.
На смену JET должен прийти прототип коммерческого британского реактора под названием Сферический токамак для производства энергии (Spherical Tokamak for Energy Production, STEP), который будет построен на месте выведенной из эксплуатации угольной электростанции в Ноттингемшире. На осуществление проекта выделено £650 млн ($800 млн) на период до 2027 года. Правительство Великобритании надеется, что к началу 2040-х годов STEP станет одной из первых термоядерных установок в мире, которые будут поставлять электроэнергию в сеть.
STEP, как и JET, будет токамаком. Но в то время как JET и около 60 других работающих сейчас в мире токамаков имеют тороидальную форму, STEP будет сферическим. Сферические токамаки теоретически могут быть более компактными и использовать меньшие по размеру и менее дорогие магниты. Это может облегчить коммерциализацию термоядерных установок, хотя для этого потребуется решить множество инженерных проблем.
На площадке в Ноттингемшире с подключением к сети есть место не только для одной станции, и многие компании смотрят на нее с интересом. Американский стартап Type One Energy, который поддерживает инвестиционная компания Билла Гейтса Breakthrough Energy Ventures, хочет построить здесь стелларатор и к 2030 году начать работу на пилотной станции, которая сможет вырабатывать электроэнергию и поставлять ее в сеть. По предварительным оценкам, пилот будет стоить до £10 млрд, но стоимость будущих установок может составлять от трети до половины этой суммы.
Термояд в контейнере
Израильский стартап nT-Tao к 2029 году обещает создать действующие прототипы небольших генераторов электроэнергии, использующих принцип термоядерного синтеза. По размерам установка будет сопоставима со стандартным морским контейнером, а ее мощность будет достигать 20 МВт. По расчетам, этого хватит, чтобы одновременно заряжать до 1000 электромобилей. Такая энергетическая установка сможет питать энергией зарядные станции, предприятия или ЦОДы в отдаленных районах, где нет линий электропередач достаточной мощности. Стоимость одной установки может составить от $70 до $100 млн, а себестоимость генерируемого киловатт-часа электроэнергии — от $0,06 до $0,13. В следующем десятилетии разработчики надеются начать коммерческие поставки таких электростанций.
Экономика энергетики
Некоторые исследователи полагают, что коммерческий термоядерный синтез в течение последнего десятилетия совершил фазовый переход из области научной фантастики в плоскость практического применения: «квантовый скачок» в области сверхпроводников, лазеров и современных материалов на глазах меняет экономику термоядерной энергетики.
Команда разработчиков из Массачусетского технологического института (MIT) и частной компании Commonwealth Fusion Systems (CFS) сообщила о создании электромагнита массой 9 тонн, который обеспечивает устойчивое равномерное магнитное поле силой более 20 Тл, что значительно превосходит характеристики используемых сегодня магнитов. Профессор Деннис Уайт, возглавлявший эту работу в Центре плазмы и термоядерного синтеза MIT, назвал разработку самым важным событием за последние 30 лет исследований в области термоядерного синтеза. «В одночасье это фактически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», — прокомментировал он.
Для осуществления реакции синтеза необходимо сжимать топливо при чрезвычайно высоких температурах. Ни один известный материал не может их выдержать, поэтому плазма должна удерживаться очень мощными магнитными полями. Для их создания требуются сверхпроводящие магниты, которые изготавливаются из ниобиевых сплавов, обеспечивающих сверхпроводимость при температурах, близких к абсолютному нулю (4 К, или −270 °С). Новый материал — оксид бария-меди-РЗМ — позволяет магнитам работать при температуре 20 К, что дает значительные инженерные преимущества. Еще одно ключевое нововведение — отсутствие изоляции тонких плоских сверхпроводящих лент магнита. Все это упрощает производственные процессы и существенно уменьшает размеры магнита, а вместе с тем и всего термоядерного реактора. Магнит представляет собой немного уменьшенную версию тех, которые будут формировать камеру токамака SPARC (Soonest Possible Affordable Robust Compact), который сейчас строит компания CFS в Массачусетсе.
Новые магниты, более компактные и дешевые, обещают дать большой выигрыш в экономической эффективности термоядерной установки. По словам главы CFS Боба Мамгаарда, эта революционная технология предполагает, что стоимость термоядерной энергии составит $60–80 за МВт·ч.
Снаряд для термояда
Британская компания First Light Fusion объявила в марте, что побила мировой рекорд давления для кварца, подняв его с 1,5 ТПа (терапаскаля) до 1,85 ТПа (что в пять раз превышает давление в ядре Земли) и сохранив при этом характеристики образца. Для чего это нужно? Компания разработала уникальный «ускоритель» для запуска термоядерных реакций. Установка Machine 4 будет передавать топливной мишени энергию за счет удара кварцевого снаряда, разогнанного до скорости 60 км/с. Комбинация кинетического и лазерного импульсов обещает значительно снизить энергопотребление термоядерной установки.
Кто первый?
В конце прошлого года в Китае были созданы две мощные структуры, которые должны ускорить сроки перехода к практическому использованию термоядерной энергии. Так, учреждена государственная компания China Fusion Energy Inc., которая объединит исследования и разработки, прежде распределенные между научными институтами и частными фирмами. Одновременно создан консорциум из 25 организаций во главе с Китайской национальной ядерной корпорацией.
Создание этих структур и передача им всех ранее разрозненных ресурсов дает понять, что власти Китая считают переход к термоядерной энергетике важной задачей. Китай позже других стран включился в термоядерную гонку, но быстро наверстывает упущенное. Неслучайно на конференции Ассоциации термоядерной индустрии (Fusion Industry Association, FIA), состоявшейся в марте в Вашингтоне, подчеркивалась необходимость найти способы привлечения большего количества средств на исследования и не отстать от Китая в гонке по разработке и строительству коммерчески жизнеспособных реакторов. Эндрю Холланд, генеральный директор FIA, высказал опасения, что термоядерный синтез пойдет по пути солнечной энергетики, в том смысле, что бо́льшая часть технологий была изобретена в США, но в области производства доминирует Китай.
С 2011 по 2022 год Китай подал больше патентов в области термоядерного синтеза, чем любая другая страна. В 2023 году на китайском токамаке HL‑2A впервые получена плазма с током силой более 1 млн ампер в режиме улучшенного удержания, а токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), разработанный Институтом физики плазмы в Хэфэе, поставил рекорд длительности поддержания высокотемпературной плазмы, проработав 403 секунды. Китай намерен построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и внедрить технологию для крупномасштабного коммерческого использования к 2050-му.
