Слияние: миллиарды вложений и перспективы термоядерной энергии

Частные инвестиции в термоядерный синтез стремительно растут. За последние пять лет в эту область были вложены миллиарды долларов, привлекая венчурный капитал, инвесторов в глубокие технологии, энергетические корпорации и государственные фонды. Основная доля финансирования и компаний сосредоточена в США, но активность также набирает обороты в Китае и Европе.

Этому способствуют несколько факторов: растущая необходимость в безуглеродной энергии, технологические прорывы, новые материалы и применение искусственного интеллекта (ИИ) для управления процессами. Кроме того, активно развивается экосистема частных компаний, а технологические миллиардеры вливают значительные средства. Все это происходит на фоне значительных успехов в теоретических исследованиях и экспериментах в области термоядерного синтеза.

Некоторые компании уже делают амбициозные заявления о начале коммерческого производства энергии в ближайшие годы. Но что такое термоядерный синтез?

Термоядерный синтез — это процесс слияния легких атомов (обычно водорода и его изотопов, дейтерия и трития) с образованием более тяжелого атома, что сопровождается выделением энергии. Это противоположность ядерному делению, используемому в современных АЭС, где тяжелые атомы распадаются на более легкие.

Управление термоядерным синтезом для производства энергии — сложная задача. Природа осуществляет такие реакции в ядрах звезд, где плотность и температура чрезвычайно высоки. Плотность плазмы в ядре Солнца в 150 раз выше плотности воды, а температура достигает около 15 миллионов градусов Цельсия. Здесь водород преобразуется в гелий с выделением энергии. Однако каждый килограмм водорода производит лишь около 0,3 ватта энергии из-за низкой вероятности реакции. Массивность и огромные размеры Солнца обеспечивают колоссальную выходную мощность и длительность существования.

Синтез более тяжелых форм водорода (дейтерия и трития) имеет гораздо большую вероятность реакции. Эта вероятность максимальна при температуре, в десять раз превышающей температуру ядра Солнца, — около 150 миллионов °C. Непрерывное удержание плазмы при таких температурах возможно только с использованием чрезвычайно сильного магнитного поля.

Повышение энергоэффективности

До сих пор термоядерным реакторам было трудно стабильно получать больше энергии, чем затрачивается на поддержание реакции. Наиболее распространенная конструкция реактора для синтеза использует тороидальную, или кольцеобразную, форму.

Наилучший результат при использовании дейтерий-тритиевого синтеза в тороидальной установке типа «токамак» был достигнут на европейском реакторе JET в 1997 году: выход энергии составил 0,67 от затраченной. (В то же время японский реактор JT-60 показал результаты при использовании только дейтерия, предполагающие более высокий коэффициент при добавлении трития.)

Большие приросты энергии демонстрировались в кратковременных импульсах. Впервые это было достигнуто в 1952 году при испытаниях термоядерного оружия, а в более контролируемом режиме — в 2022 году с использованием мощных лазеров.

Проект ITER

Государственная программа, наиболее вероятно демонстрирующая термоядерный синтез, — это проект ITER. ITER, ранее известный как Международный термоядерный экспериментальный реактор, представляет собой совместный проект более чем 35 стран, направленный на демонстрацию научно-технической осуществимости термоядерного синтеза как источника энергии. Проект ITER был задуман в 1985 году на саммите лидеров США и СССР Рональда Рейгана и Михаила Горбачева. Разработка реактора и выбор площадки заняли около 25 лет, строительство началось во французском Кадараше в 2010 году.

Несмотря на некоторые задержки, исследовательские операции ожидаются в 2034 году, а эксплуатация с дейтерий-тритиевым синтезом — в 2039 году. При успешной реализации ITER будет производить около 500 мегаватт термоядерной мощности при потреблении всего 50 МВт внешнего нагрева. ITER является научным экспериментом и не будет генерировать электроэнергию. Для сравнения, 500 МВт достаточно для обеспечения энергией примерно 400 000 домов в США.

Новые технологии, новые конструкции

ITER использует сверхпроводящие магниты, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю (около –269 °C). Некоторые новые конструкции используют технологические достижения, позволяющие создавать сильные магнитные поля при более высоких температурах, что снижает затраты на охлаждение.

Одним из таких проектов является частный токамак SPARC от Commonwealth Fusion Systems, привлекший около 3 миллиардов долларов инвестиций. SPARC был спроектирован с использованием сложных симуляций поведения плазмы, многие из которых теперь используют ИИ для ускорения расчетов. ИИ также может применяться для управления плазмой во время работы.

Другая компания, Type I Energy, разрабатывает установку типа «стелларатор», которая использует сложную асимметричную систему катушек для создания винтового магнитного поля. Помимо высокотемпературных сверхпроводников и передовых производственных технологий, Type I Energy использует высокопроизводительные вычисления для оптимального проектирования установок с максимальной производительностью. Обе компании утверждают, что запустят коммерческую термоядерную энергетику к середине 2030-х годов.

В Великобритании государственно-частное партнерство разрабатывает Spherical Tokamak for Energy Production — прототип термоядерного пилотного завода, который планируется завершить к 2040 году. Тем временем в Китае государственная термоядерная компания строит Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak, цель которого — продемонстрировать пятикратный прирост мощности. «Первую плазму» ожидают в 2027 году.

Когда?

Все проекты, планирующие производство энергии на основе термоядерного синтеза с использованием кольцеобразных магнитных полей, очень масштабны и производят порядка гигаватта мощности. Это связано с фундаментальными причинами: более крупные устройства обеспечивают лучшее удержание плазмы, а большая масса плазмы означает большую мощность.

Возможно ли это реализовать за десятилетие? Это будет непросто. Для сравнения, проектирование, выбор площадки, получение разрешений и строительство угольной электростанции мощностью 1 ГВт (хорошо изученная, зрелая, но нежелательная технология) могут занять до десяти лет. Исследование 2018 года в Корее показало, что одно только строительство угольной электростанции мощностью 1 ГВт может занять более 5 лет. Строительство термоядерной установки — гораздо более сложная задача.

Частные и государственно-частные партнерства в области термоядерной энергетики с такими амбициозными сроками сулят высокую отдачу, но и высокий риск неудачи. Даже если им не удастся достичь своих высоких целей, эти проекты все равно ускорят развитие термоядерной энергетики за счет интеграции новых технологий и диверсификации рисков. Многие частные компании потерпят неудачу. Это не должно останавливать общественную поддержку термоядерного синтеза. В долгосрочной перспективе у нас есть веские основания для развития термоядерной энергетики и уверенность в том, что эта технология может работать.