Пилюля термояда: вау-эффект или плацебо?
Глобальная промышленность переходит в эпоху мегапроектов, что требует всё больших объёмов стабильного энергообеспечения. С углеводородами – все больше политической возни, ведущей к усложнению трейдерских схем и к ценовой волатильности. Так может все-таки термояд? Как скоро мы сможем выйти на новый уровень, овладев, наконец, многообещающей технологией термоядерного синтеза?
Заветная утопия
При стремительно растущих темпах индустриализации и развития высоких технологий, около 80% энергобаланса до сих пор базируется на углеводородах, как на самом дешёвом и стабильном источнике электроэнергии. В экспертных кругах нон-стоп обсуждаются проблемы экологии, исчерпаемости природных ресурсов, необходимости внедрения новых видов топлива и готовности к прогрессу, но, как правило, активных действий за уже ставшими привычными тезисами не следует.
Между тем, всё более пристальное внимание, как к потенциальному средству энергоперехода в светлое будущее, обращено к концепции управляемого термоядерного синтеза – его называют «безопасным», «неисчерпаемым» и «беспрецедентно мощным». Энергия преобразования ядер путём синтеза способна выдавать в четыре раза больше энергии, чем их распад в пересчёте на массу топлива, а нескольких грамм термоядерного горючего должно быть достаточно для генерации тераджоуля электричества (это много).
Согласно стратегии МАГАТЭ, куратора международной деятельности по управляемому термояду, первое поколение энергетических реакторов будет представлять собой устройство типа токамак, и работать на смеси изотопов водорода, — дейтерия и трития. После их вхождения в реакцию, на выходе образуется гелий и высвобождаются высокоэнергетичные нейтроны, которые могут стать не только источником энергии, но и выполнять ряд дополнительных функций. Но обо всём по порядку.
Дейтерий можно добывать прямо из атмосферы или из воды с относительно небольшими затратами. Сто литров D2 от одного из крупнейших поставщиков, компании Cambridge Isotope Laboratories, стоит на рынке около 1100,00 €, сейчас его добыча невыгодна из-за низкого спроса. Тритий же, в виду относительно короткого периода полураспада – 12 лет – в природе практически не встречается, но может нарабатываться на АЭС путём облучения лития, запасы которого оцениваются как достаточные в категории подтвержденных и легко извлекаемых. Реакция ядерного синтеза при достижении плазмой определённых термоядерных параметров становится самоподдерживающейся.
И это тот самый барьер, который до сих пор не удаётся преодолеть, поскольку запуск термояда требует колоссальных температур для разогрева топливного газа, и мощных усилий для поддержания капризной плазменной нити в стабильном состоянии достаточное время. Существующие концепции на практике пока остаются энергетически убыточными и чистый прирост энергии по отношению к затраченной мощности до сих пор не достигнут. В каких направлениях двигаются учёные для решения этих задач?
На полную катушку
Наиболее распространённой установкой для изучения процессов термоядерного синтеза стала советская разработка токамак, расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Идея была предложена и воплощена впервые нашими учёными в 1950-х гг. и вызвала большой резонанс в научном мире. Она состоит в том, что газ нагревается с помощью микроволнового излучения до состояния плазмы сверхвысокой температуры чтобы заставить лёгкие ядра преодолеть Кулоновский барьер, то есть взаимное отталкивание. При этом в земных условиях температура должна в несколько раз превышать температуру ядра Солнца, которое взяли за прототип реактора, в исследовательских установках её доводят до сотни миллионов градусов Цельсия – это связано с гораздо меньшей гравитационной силой на нашей планете. Поскольку ни один материал не способен выдержать такой температуры, плазменная нить удерживается внутри теплового контура при помощи мощных магнитных катушек. После публичной демонстрации первого опытного образца, токамака T-3, разогревшего газ до температуры 11,6 млн °C, по всему миру начались собственные исследования физики плазмы.
Однако масштабирование технологии для достижения промышленных масштабов оказалось настолько сложным процессом, что 1956 году СССР предложил рассекретить национальные разработки. В 1985 году начались переговоры между СССР и Францией о создании совместного проекта, а в 1992 на фоне политической перезагрузки было подписано межправительственное соглашение, к которому присоединились также Великобритания, США и Япония (а позднее – Индия, Южная Корея, Китай и другие страны Евросоюза, их представляет корпорация Euratom). Так появился крупнейший в истории международный проект: исследовательский термоядерный реактор ИТЭР.
Колоссальное инженерно-конструкторское сооружение стало примером беспрецедентной кооперации международного научного сообщества и передовой промышленности. Глобальный проект предполагает диверсификацию, позволяющую развивать отдельные компетенции каждой стране-участнице, которые кроме того могут быть внедрены и в других высокотехнологичных отраслях. Так, например, Россия, которая поставляет проекту 25 систем, практически с нуля наладила у себя масштабное производство сверхпроводников, – в составе магнитных катушек они поставляются для системы тороидального и полоидального полей, это один из самых сложных и важных элементов системы.
Реактор ИТЭР не планируется подключать к сети, он должен стать полигоном для отработки технологий для следующего проекта – DEMO, коммерческих термоядерных реакторов. За 70 лет истории токамаков было построено около 300 установок в разных странах, из них действующих на данный момент – порядка 50. В том числе, в 2021 году Курчатовский институт представил новейший Т-15МД, глубоко модернизированную разработку 1980х. Он предназначен как для отработки компонентов ИТЭР, так и для последующих типов собственных реакторов. Этот токамак уникален тем, что при своём компактном размере – всего 1,5 м внутреннего радиуса – способен нагревать плазму до 100 млн °C, удерживая плазменный шнур в течение 30 секунд. В марте Т-15МД прошёл важную веху, получив разряд с током плазмы 500 кА – этот результат должен поспособствовать достижению такой конфигурации магнитного поля, которая поможет стабилизировать плазму и уменьшить степень её загрязнения от примесей со стенок вакуумной камеры.
От промышленного токамака ожидают, что он преодолеет порог энергетической безубыточности. Этот параметр обозначается коэффициентом Q и отражает соотношение затраченной на работу устройства энергии к выробатываемому электричеству. На реакторе ИТЭР планируется добиться показателя Q не меньше 10, т.е. энергии будет получено в 10 раз больше, чем потрачено на функционирование системы. При этом не все учёные единогласно верят в успешность проекта и продолжают экспериментировать с другими технологиями, пытаясь обойти слабые места токамака.
Пути развития термояда
Программа ИТЭР действительно сопряжена с рядом трудностей – будучи огромной неповоротливой кооперацией со сложносочинённым бюрократическим аппаратом, она продвигается медленно, иногда не поспевая за более шустрыми компактными стартапами. Базовая концепция установки была выработана в 1980-90-х гг. и периодически подвергается вносу корректировок – как по причине новых научных и технических достижений, так и внешних обстоятельств. Первоначально завершение его строительства было намечено на 2016 год с расчётом на получение первой плазмы в 2025-м, сейчас пуск реактора планируется только в 2035 году, причём в пилотной версии на дейтерий-дейтериевом топливе.
Разлад начался и среди компаньонов, и (сюрприз) он связан не с Россией и её санкционным грузом. Другая страна-соучредитель, Великобритания, покинув Евросоюз, а с ним и консорциум Euratom, который представляет ЕС в проекте, не может более быть частью ИТЭР. Это влечёт за собой не только пересмотр бюджета, но и дополнительные изменения в стратегии развития проекта. При этом ИТЭР поддерживает сотрудничество с Казахстаном, Канадой, Австралией и Швейцарией в качестве «неассоциированных третьих стран». Британские власти решили сосредоточиться на собственной разработке сферического реактора, который должен стать проще и эффективнее, его пуск анонсирован на 2040 год.
Другие страны, вне зависимости от участия в ИТЭР, также работают над отличными от токамака технологиями, одна из них – стелларатор. Это тоже дитя 1950-х, изобретение принадлежит американскому физику Л. Спитцеру, его принципиальное отличие состоит во вращательном преобразовании плазменной нити, а конструкция представляет собой не ровный, а изогнутый «бублик», что теоретически должно позволить более равномерно удерживать плазму в магнитном поле. До недавних пор стелларатор не считался перспективной концепцией, однако благодаря развитию компьютерных программ математического моделирования, с помощью которых удалось оптимизировать магнитную систему, учёным удалось достичь впечатляющих результатов. Самый передовой и перспективный стелларатор стоимостью $1,4 млрд принадлежит немецкому Институту физики плазмы Макса Планка, это исследовательский Wendelstein 7-X. Реактор ещё не успел доказать свою эффективность на практике, но в феврале этого года компания Proxima Fusion представила первую в мире концепцию коммерческой ТЯЭС на его базе. Разработчики уверяют, что готовы приступить к производству более компактного и мощного чем токамак реактора из доступных в настоящее время конструкционных материалов. Демо-версия обещана к 2031 году.
Существует также принципиально отличный от токамака и стелларатора концепт – инерционный термоядерный синтез. Он предполагает, что ядра изотопов водорода сталкиваются не при помощи электромагнитного излучения в полой вакуумной камере, а благодаря нагреву плазменной мишени мощными лазерами. В 2022 году американский разработчик термоядерного оружия, Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса заявила о «зажигании плазмы, позволившем достичь энергетической безубыточности». 192 лазерных луча установки National Ignition Facility общей мощностью два мегаджоуля поразили топливную капсулу, получив на выходе около трех мегаджоулей энергии. Событие было названо «одним из самых великих в истории 21 века». При этом в презентации события не берётся в расчёт 477 мегаджоулей, которые были затрачены чтобы запитать лазеры от электросети. Если рассматривать коэффициент Q тупо как соотношение выходной термоядерной мощности к мощности, потраченной на разогрев и, при необходимости, поддержания стабильности плазмы, то результат, конечно, достигнут. Но всё же при расчёте КПД мы должны учитывать весь объём энергии, израсходованный на собственные нужды системы. Кроме того, реакция продлилась лишь миллиардную долю секунды, поскольку она, по сути, представляет собой маленький термоядерный взрыв. Весной 2023 года компания Longview Fusion Energy Systems тем не менее заявила о готовности сотрудничать с лабораторией в рамках строительства термоядерной электростанции, но за два года статус этой сделки не обновлялся. Возможно, потенциальный заказчик ещё и посчитал стоимость топливных таблеток, которые в прямом смысле являются золотыми — для непрерывной передачи электричества понадобятся миллионы таких таблеток.
Идея термоядерной генерации, даже выраженная теоретически и напоминающая в публикациях алхимические артефакты, звучит невероятно заманчиво. Начиная с 2022 года, когда мир столкнулся с энергетическим кризисом и ощутил хрупкость цепочек поставок углеводородного топлива, отрасль начала получать небывалый поток инвестиций. Количество новых термоядерных стартапов в 2023 году увеличилось на треть, а ряд стран, таких как Великобритания, Германия, Японии и др. запустили мощные программы финансовой поддержки разработчиков.
В отчёте Global Fusion Industry за второй квартал 2024 года говорится, что за минувший год в термоядерную промышленность было инвестировано дополнительно более 900 млн долларов США и, что радует, создано более 1000 рабочих мест. Аналитики заключают, что большинство компаний настроены оптимистично и собираются наблюдать первую работу термоядерных реакторов в 2030-2035гг. По данным МАГАТЭ за прошлый год, в дополнение к 99 действующим экспериментальным установкам (в т.ч. к девяти частным), могут прибавиться еще более 40 – 13 находятся в стадии строительства и ещё 33 ожидают начала производства. Наиболее известными спонсорами стартапов стали основатель Amazon Джефф Безос, основатель Microsoft Билл Гейтс и Питер Тиль из Palantir.
Синтез - распад
В минувшем марте в СМИ всё-таки появилась растиражированная новость о прикладном использовании технологии термояда, и, если так оно и есть – это действительно важная веха в отрасли. По сообщению гонконгской South China Morning Post (без ссылки на источник), Китай приступил к работе над строительством гибридной ядерно-термоядерной станции, и намерен запустить коммерческую эксплуатацию в 2030 году. Её мощность невелика, всего 100 МВт, но заветный коэффициент Q должен достигнуть небывалого значения – 30. Калькуляция и технические подробности не представлены, однако о чём это может говорить?
Вспомним про высокоэнергичный нейтрон, который выделяется в ходе термоядерной реакции, и рассмотрим области его применения. Если говорить про атомные станции, именно этот элемент обеспечивает процесс распада уранового топлива, и в самой классической схеме – он тепловой и, соответственно, медленный. Используя термоядерный синтез исключительно как внешний источник быстрых нейтронов, можно значительно увеличить энергоэффективность атомного реактора, дополняя ими те нейтроны, которые появляются в следствии реакции распада. Либо вообще исключить процесс запуска цепной реакции, обеспечивая деление ядер в топливе исключительно внешним источником, такие реакторы называются подкритическими. Во втором случае мы имеем меньшую производительность на выходе, зато большую безопасность, ведь в случае аварийного останова, можно просто отключить внешний нейтронный поток.
Аналитики полагают, что заявленный уровень профицитной энергии (Q = 30) относится к выработке электростанции в целом, что не может претендовать на прорыв в области термоядерного синтеза, ведь концепция не оригинальна. Но даёт Китаю доступ к большому количеству электроэнергии снижая зависимость от углеводородных источников топлива, что так важно для стратегии технологического доминирования страны.
Не менее значимое коммерческое преимущество реактора с применением быстрых нейтронов – в качестве топлива на них можно использовать уран-238. Доля этого изотопа в природной руде свыше 99%, при этом традиционные ядерные реакторы не способны работать на нём. Ещё один бонус, высокоэнергетические нейтроны эффективны в сжигании минорных актиноидов – наиболее опасных компонентов отработанного топлива, что позволяет значительно уменьшить объём ядерных отходов.