Ручное солнце. Когда термоядерные реакторы станут реальностью

Автор фото, Getty Images Подпись к фото, Наше Солнце - большой термоядерный реактор. Можем ли мы воссоздать этот процесс на Земле?

Уже через пять лет мы сможем добывать почти неограниченную энергию из "миниатюрных солнц", заявляют некоторые стартапы. Речь идет о реакторах термоядерного синтеза, которые могут дать много дешевой и чистой энергии.

В условиях глобального потепления, вызванного нашей зависимостью от углеводородного топлива, миру требуются устойчивые источники альтернативной энергии. Если мы не их не найдем, то для миллионов людей будущее может стать очень мрачным: нехватка воды и еды, ведущая к голоду и войнам.

Термоядерный синтез уже давно считается потенциальным ответом на эти вызовы. Но он всегда был чем-то "в 30 годах от нас", как шутили в индустрии.

Сейчас несколько стартапов заявляют, что они могут сделать этот проект экономической реальностью намного раньше.

Что такое термоядерная реакция?

Термоядерная реакция - это слияние атомных ядер, в результате чего высвобождается энергия, которая и может помочь решить энергетический кризис.

Это тот же самый процесс, который происходит внутри Солнца, он чистый и относительно безопасный. Нет никаких выбросов.

Но сталкивание этих ядер дейтерия и трития (два изотопа водорода) под огромным давлением требует огромных объемов энергии - больше, чем мы пока можем извлечь из реакции.

До сих пор считалось, что невозможно достичь момента "приращения энергии", когда мы сможем получать из синтеза больше энергии, чем нужно на него потратить.

Но это больше не так, уверяют стартапы из сферы термоядерного синтеза.

"Это "момент SpaceX" для термоядерного синтеза", - говорит Кристофер Моури, директор канадской компании General Fusion, которая хочет сделать термоядерный синтез коммерчески выгодным в течение следующих пяти лет.

"Это момент, когда зрелость науки сочетается с технологиями XXI века, - продолжает он. - [Термоядерный] синтез уже не "в 30 годах от нас".

Автор фото, TOKAMAK ENERGY Подпись к фото, Новейший термоядерный реактор Tokamak Energy

Наука уже сделала свое дело, говорит Уэйд Эллисон, почетный профессор физики в оксфордском колледже Кэбл. Препятствия скорее в практике.

"Мы не можем быть уверены в сроках, но базовые научные вопросы решены, а проблемы - технические, они касаются материалов", - говорит профессор.

В чем проблема?

Основная проблема - как построить для реактора достаточно прочную оболочку, чтобы она смогла сдержать плазму - очень горячий ядерный "бульон", в котором происходит синтез под огромным давлением.

Системы отвода тепловой энергии должны будут выдерживать уровни температуры и перегрузки, похожие на то, что испытывает космический корабль при возвращении на орбиту, говорит профессор Ян Чэпмен, гендиректор Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA).

Потребуются также автоматические системы обслуживания и системы производства, восстановления и хранения топлива.

"UKAEA изучает все эти вопросы и строит новые исследовательские учреждения в научном центре Кулхэм около Оксфорда, чтобы выработать решения вместе с отраслевыми институтами", - говорит профессор Чэпмен.

Что изменилось?

Некоторые частные энергетические компании считают, что они могут справиться с этими проблемами быстрее, используя новые материалы и технологии.

Расположенная в Оксфордшире фирма Tokamak Energy работает над сферическими токомаками (реакторами), которые используют высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) чтобы удерживать плазму в очень сильном магнитном поле.

Автор фото, TOKAMAK ENERGY Подпись к фото, Tokamak Energy пытается построить более дешевые и компактные термоядерные реакторы

"Высокая температура" в этой области физики - от минус 70 градусов и ниже.

"Сферический токамак - намного более эффективная геометрическая форма, и мы можем радикально повысить компактность и производительность. А поскольку он еще и меньше, то более мобилен, затраты на сборку ниже", - говорит исполнительный директор Tokamak Energy Джонатан Карлинг.

Компания построила три токамака. Последний из них - ST40 из 30-милиметровой нержавеющей стали с использованием ВТСП-магнитов. В июне он достиг температуры плазмы более 15 млн градусов, что выше температуры центра солнца.

Анализ: "Искусственное солнце Китая"

Корреспондент по вопросам науки и технологий Николай Воронин:

"Китайские ученые на прошлой неделе разогрели плазму до еще более высокой температуры в специальном устройстве EAST, расположенном в городе Хэфэй.

Эксперимент получил название "искусственное солнце Китая", и его основная цель - создание условий, необходимых для управляемого термоядерного синтеза, так что температурные рекорды в некотором смысле побочный эффект.

Электронная температура плазмы, удерживаемой магнитной ловушкой токамака, достигла нового максимума, на некоторое время превысив 100 млн градусов.

Для сравнения: максимальная температура в центре нашей звезды составляет примерно 15 млн градусов".

Британская фирма надеется достичь китайского результата в 100 млн градусов к следующему лету.

"Мы ожидаем, что сможем достичь момента приращения энергии к 2022 году и начать поставки энергии в сеть к 2030-му", - говорит Карлинг.

Тем временем в США Массачусетский технологический институт (МТИ) совместно с недавно созданной компанией Commonwealth Fusion Systems (CFS) работает надо созданием токамака в форме тороида под названием Sparc. В нем также будут установлены магнитные ловушки для плазмы.

Проект частично финансируется фондом Breakthrough Energy Ventures, которым руководят Билл Гейтс, Джефф Безос, Майкл Блумберг и другие миллиардеры. Группа разработчиков надеется сделать термоядерные реакторы достаточно компактными, чтобы их можно было устанавливать на фабриках и транспортировать для установки на производственной площадке.

Эти частные инициативы бросают вызов проекту ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), флагманскому международному проекту в этой сфере с участием 35 стран.

Автор фото, Getty Images Подпись к фото, Реактор ITER не будет достроен до 2025 года

ITER, что на латыни также значит "путь", строит крупнейшую экспериментальную термоядерную установку в мире. Однако завершение строительства не ожидается до 2025 года, а после этого проект ждет еще долгий путь до коммерциализации.

"Участники ITERпо-разному оценивают, насколько срочно нужно перейти к термоядерной энергии как части будущего чистой энергетики, - сказал Би-би-си пресс-секретарь проекта. - Кто-то ждет электричества с термоядерных реакторов до 2050 года, кто-то - только во второй половине века".

Но новички в этой сфере считают, что могут справиться лучше.

"С технологией ВТСП-магнитов термоядерный реактор может быть намного, намного меньше - Sparc может быть в 64 раза меньше ITER по объему и массе", - говорит Мартин Гринвальд, замдиректора центра исследований плазмы и термоядерного синтеза МТИ.

Меньший размер означает меньшие издержки, что открывает путь для небольших и гибких организаций, добавляет Гринвальд.

Но все участники, кажется, согласны, что работа в ITER, в Кулхэме и частном секторе дополняют друг друга.