Американские ученые заявили, что термоядерный реактор впервые перешел в долгожданный режим «горения» плазмы. Эта новость прозвучала на фоне миллиардных инвестиций в «термоядерные» компании. Действительно ли эпоха безопасной и дешевой энергии уже на пороге?
Термоядерная энергетика — давняя мечта человечества. Один грамм дейтерия, основного термоядерного горючего, энергетически эквивалентен 10 000 литров бензина. Между тем дейтерий извлекается из обычной воды, и уже сейчас, при далеко не массовом производстве, упомянутый грамм стоит всего $16. Кроме того, единственными вредными отходами термоядерной генерации станут отслужившие свой срок оболочки реакторов. Наконец, на такой электростанции в принципе не может случиться катастрофы, подобной чернобыльской — при малейшем отклонении параметров от нормы реакция затухает сама собой.
Последнее обстоятельство прекрасно с точки зрения безопасности. Но оно же более полувека не позволяет «термояду» превратиться из области исследований в отрасль энергетики. Термоядерный реактор требует плазмы, разогретой до десятков миллионов градусов. То и дело затухающая реакция дает слишком мало энергии, чтобы хотя бы поддерживать эту громадную температуру, не говоря уж о том, чтобы отдать излишек мощности потребителю. До недавнего времени никто не мог похвастаться установкой, в которой термоядерная реакция была бы основным источником нагрева плазмы. Физики называют этот желанный режим работы «режимом горящей плазмы» (burning plasma).
Зажигательный успех
И вот физики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, принадлежащей Министерству энергетики США, заявили, что им удалось «зажечь» плазму. О предварительных результатах эксперимента было объявлено в августе 2021 года. А в ноябре исследователи отчитались об этом достижении на ежегодном собрании отделения физики плазмы Американского физического общества и представили препринт научной статьи, направленной в журнал Nature.
Эксперимент был проведен на установке National Ignition Facility, что можно приблизительно перевести как «национальный комплекс зажигания» (имеется в виду зажигание плазмы). В этом устройстве мишень с термоядерным топливом облучается мощными лазерами. Это направление исследований (лазерный термоядерный синтез) десятилетиями считалось менее перспективным, чем использование токамаков (токамак — «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками», реактор, который представляет собой полый тор, внутри которого создается плазма. — Forbes). Удивительно, но именно здесь был достигнут знаковый успех.
В установке NIF 192 лазерных луча фокусируются на золотой мишени. За каких-то 20 наносекунд цилиндр радиусом несколько миллиметров получает энергию в 1,9 МДж (0,5 кВт⋅ч). От этого золото испаряется и испускает рентгеновские лучи. Последние облучают спрятанную внутри мишени капсулу со смесью дейтерия и трития, превращая ее в облако сжатой раскаленной плазмы. В результате между дейтерием и тритием происходит термоядерная реакция.
Эксперименты на NIF начались в 2009 году и поначалу были неудачными. Одно время проект находился на грани закрытия. Однако после нескольких лет попыток физики достигли заметных успехов. Исследователи постоянно совершенствовали технологию, добиваясь все более эффективной реакции. И вот наконец они продемонстрировали «горящую» плазму: вклад термоядерной реакции в нагрев плазмы оказался больше вклада лазера.
Эту новость не следует понимать так, что реактор произвел больше энергии, чем затратил. Дело в том, что далеко не вся энергия лазерных лучей доходит до плазмы, в которой идет реакция. Она тратится на испарение золота, на генерацию рентгеновских лучей, большая часть которых уходит в молоко и на другие побочные процессы. В итоге лазер потратил 1,9 МДж энергии, а реакция произвела чуть больше 1,3 МДж. То есть реактор вернул около 70% затраченной энергии. Это рекорд производительности для термоядерных установок, но это еще даже не выход в ноль.
Экономика обещаний
Совпадение это или нет, но за этой научно-технической новостью последовали новости деловые. 1 декабря стартап Commonwealth Fusion Systems объявил о привлечении $1,8 млрд. По данным The Wall Street Journal, это крупнейшие в истории частные инвестиции в разработку термоядерных реакторов. В обширном списке инвесторов значатся Билл Гейтс и Джордж Сорос, а также Google. Финансовых и технологических гигантов, видимо, привлекает амбициозное обещание компании построить первую коммерческую термоядерную электростанцию к началу 2030-х годов.
Впрочем, Commonwealth Fusion Systems не одинока в своем оптимизме. Такие же сроки называет компания Tokamak Energy. Еще смелее звучат обещания General Fusion — 2025 год. Компании Helion Energy и First Light Fusion рассчитывают к 2024 году создать реакторы, которые будут вырабатывать больше энергии, чем потребляют. Zap Energy планирует выйти на этот рубеж в 2023-м. К слову, Helion Energy недавно привлекла $500 млн частных инвестиций, а General Fusion — $130 млн.
Отметим, что не все эти компании так уж молоды. Так, Helion Energy основана в 2013 году, First Light Fusion — в 2011-м, Tokamak Energy — в 2009 году, General Fusion — в 2002-м. Настоящими стартапами можно назвать разве что Zap Energy (2017 год) и Commonwealth Fusion Systems (2018-й). При этом старожилам рынка термоядерных обещаний уже доводилось, мягко говоря, отставать от графика. General Fusion в 2009 году обещала через десять лет представить прототип электростанции. Helion Energy в 2015 году собиралась построить «полезный реактор» в течение трех лет. Тогда же Tokamak Energy прогнозировала положительный энергетический баланс реактора к 2020 году.
Что эти компании сегодня могут продемонстрировать рынку, кроме оптимизма? У Commonwealth Fusion Systems есть инновационные электромагниты огромной мощности, которые должны удерживать плазму в токамаке. На сайте Zap Energy утверждается, что специалисты компании осуществили свою первую термоядерную реакцию еще в 2018 году. Физики из Helion Energy разогрели плазму до 100 млн градусов — температура, считающаяся оптимальной для термоядерной реакции. Tokamak Energy тоже близка к этому рубежу. Все это замечательно само по себе, но это лишь отдельные шаги к готовой электростанции.
А ведь построить такую станцию — это еще не все. Термоядерная энергетика требует множества сопутствующих технологий, от производства дейтерия из воды до утилизации радиоактивных реакторных оболочек. Некоторые из них уже освоены и ждут только масштабирования, но другие еще предстоит разработать и внедрить.
В общем, несмотря на громкие заявления бизнесменов и оптимизм инвесторов, не стоит забывать о прочно вошедшем в физический фольклор «законе природы»: какой бы год ни стоял на дворе, до коммерческих термоядерных электростанций всегда остается 30 лет.