Термоядерный стартап Commonwealth Fusion Systems (США) и его гендиректор Боб Мумгаард
©Commonwealth Fusion SystemsМожно ли кардинально решить энергетический вопрос на планете Земля, обеспечив человечество дешевым и безопасным топливом? Уже 70 лет ученые знают ответ: можно, если овладеть управляемым термоядерным синтезом. Долгое время главным проектом в этой области оставался международный реактор ИТЭР. Но теперь ситуация изменилась: в термоядерную науку пришел частный бизнес. За считанные годы человечество заметно приблизилось к тому, чтобы получить коммерчески выгодную реакцию. Как только это произойдет, термоядерная гонка, в которой участвует и Россия, обострится до предела.
Почему бизнес заинтересовался термоядом
В первую очередь потому, что появились новые технологии, облегчающие проведение реакций синтеза. Прежде всего высокотемпературные сверхпроводящие магниты (ВТСП), благодаря которым можно быстрее и дешевле строить экспериментальные установки с магнитным зажиганием плазмы – токамаки. Во-вторых, сложился спрос на технологии энергоперехода: тревожные темпы изменения климата активизировали поиски экологичных источников энергии.
В результате сфера, в которой раньше неспешно и методично трудились научные институты, меняется на глазах.
«Это началось в последние годы, – рассказывает «Профилю» директор учреждения госкорпорации «Росатом» «Проектный центр ИТЭР» Анатолий Красильников. – Заинтересованность инвесторов привела к тому, что целый ряд частных компаний на Западе начинает сооружать прототипы реакторов. Время становится важным фактором для всех, ведь частный бизнес привык быстро решать проблемы. И когда называются сроки, мол, уже через 3–4 года будет готов реактор, это подстегивает ИТЭР и национальные проекты. Все думают: а мы-то что у себя построим?»
Чем занимаются термоядерные стартапы
Самый многообещающий проект – Commonwealth Fusion Systems, основанный на базе Массачусетского технологического института (МТИ), – привлек $1,8 млрд инвестиций, в том числе от Google и Билла Гейтса. Он создает компактный ВТСП-токамак (в прошлом году были продемонстрированы самые мощные магниты в истории с индукцией 20 тесла), на 2025 год запланирована «коммерчески значимая» реакция синтеза, на начало 2030-х – строительство термоядерной электростанции ARC.
«Они взяли наработки ИТЭР и соединили их с передовыми достижениями XXI века, – объясняет «Профилю» футуролог, председатель совета директоров ГК «Русские инвестиции» Кирилл Игнатьев. – Участие МТИ гарантирует качественную работу с научными инвестфондами. Фактически получается ИТЭР-2, более дешевый и с современной магнитной основой».
Усилиями частных компаний расширяется арсенал методов получения реакции синтеза. Корпорация EMC2 Inc. разработала высоковольтную сетку для захвата и сближений ионов в плазме (технология polywell).
Стартап Helion Energy, вышедший из стен одной из американских федеральных лабораторий, преобразует в электричество высокоэнергетические альфа-частицы (aneutronic fusion).
Канадский проект General Fusion, поддерживаемый миллиардером Джеффом Безосом и договорившийся о строительстве демонстрационного реактора в Великобритании к 2025 году, применяет метод MTF, при котором в качестве топлива используется литиево-свинцовая смесь.
TAE Technologies тоже отказалась от стандартного топлива термоядерных реакторов – дейтериево-тритиевой смеси (дейтерий и тритий – изотопы водорода). Компания планирует использовать топливо из водорода и бора-11.
Эти решения родились неспроста. Дейтерий – распространенный изотоп водорода, он легко извлекается из морской воды. Другое дело тритий, который является побочным продуктом атомных реакторов, – стоимость 1 кг этого вещества оценивается в миллионы долларов. Для работы ИТЭР потребуется около 3 кг трития в год, для промышленного термоядерного реактора – десятки килограммов. Впрочем, известен метод добычи трития с помощью облучения нейтронами лития, запасы которого в природе достаточны (из этого металла производятся Li-Ion аккумуляторы). Но до сих пор он не применялся из-за отсутствия рыночной потребности.
«Как только появится соответствующий запрос, в изыскания по тритию пойдут инвестиции, и вопрос так или иначе будет решен, – уверен Кирилл Игнатьев. – Это создаст основу для первого этапа термоядерной энергетики. А к концу XXI века могут подоспеть технологии, основанные на других элементах».
По словам эксперта, пока размеры инвестиций невелики для столь сложной технологии: фонды прощупывают почву. Но тренд определился: в 2020 году термоядерные стартапы получили $300 млн финансирования (подсчеты Bloomberg), в 2021-м – $3 млрд (Forbes).
General Fusion за последние пару лет собрала $130 млн, TAE Energy – $130 млн, Helion Energy – $500 млн, британская компания Tokamak Energy – 117 млн фунтов. Среди инвесторов замечены энергетические гиганты Equinor, Chevron, ENI и другие.
Что перспективнее: лазерный или магнитный синтез
Тем временем развивается особая ветвь термоядерных разработок, не связанная с созданием в реакторе электромагнитного поля. Это так называемый инерционный синтез, при котором дейтериево-тритиевое топливо, помещенное в небольшую капсулу-мишень в центре реактора, мгновенно разогревают мощными лазерными лучами. За счет сжатия оно образует реакцию синтеза. В теории этот метод известен с 1960-х годов, однако он сопряжен с большими сложностями.
Хотя плотность плазмы при обстреле лазерами выше, чем при магнитном удержании (до 10-22 м против 10-14 м), время жизни такой реакции составляет ничтожные доли секунды. Чтобы превратить эти импульсы в стабильный поток энергии, нужно, чтобы лазеры били по капсуле несколько раз в секунду: сейчас же это возможно лишь с многочасовым перерывом. При этом нужно добиться идеальной нацеленности лазеров, с разных сторон направленных на равноудаленную от них сферическую мишень: малейшая погрешность в расчетах, и плазма «ускользает» от синтеза.
Крупнейшие термоядерные установки с лазерным зажиганием расположены во Франции (LMJ, 176 лазерных лучей) и США (NIF, 192 луча). Ученые упорно продвигаются вперед. Так, в 2012 году комплекс NIF называли бесперспективным и хотели закрыть. В 2013-м удалось осуществить первую реакцию синтеза, но с КПД 0,73%. Последний результат NIF – КПД 70% во время эксперимента в августе 2021-го. При этом количество выделенной энергии в 25 раз превысило результат 2018 года.
В прошлом году американская лаборатория National Ignition Facility (NIF) с помощью 192 лазерных лучей произвела термоядерную реакцию с КПД 70%. Этот результат обнадежил сторонников лазерного термояда
Science History Images/ Vostock PhotoЕсть и другие любопытные проекты. Вскоре в Университете Мичигана ожидается эксперимент Zeus, в ходе которого плазму планируется добывать с помощью лазеров петаваттного класса – полученная мощность будет измеряться в зетаваттах (миллиардах мегаватт). А стартап из Австралии HB11 Energy хочет совместить лазерное зажигание с использованием топливной смеси из водорода и бора-11.
Если лазерно-импульсный метод докажет свою эффективность, он станет привлекательнее токамаков, прогнозирует в беседе с «Профилем» инвестор, технологический предприниматель Александр Китаев. «Магнитные установки по мере роста мощности реакции всегда будут увеличиваться в размерах, – аргументирует эксперт. – Они будут вынуждены потреблять гигаватты энергии, пока горит плазма, ее будет сложно удерживать. Лазерный же реактор компактен, примерно со стол размером, и после каждого цикла он будет остывать сам. Это портативное решение, которое можно будет устанавливать на транспортные средства. А это означает радикальное снижение стоимости входа на рынок термояда. Если им займутся не единицы миллиардеров, а сотни миллионеров, начнется революция».
Почему котировки термоядерной энергетики будут расти
Кто знает, какими темпами развивался бы термояд дальше, если бы не нависшая над миром угроза глобального потепления. Однако в текущих условиях переход на термоядерную энергетику видится одним из условий сохранения климатической стабильности. К середине XXI века она станет важным элементом энергетического баланса, пообещали в январе специалисты Калхемского научного центра (Великобритания) на встрече с принцем Уэльским.
«Точные сроки трудно определить, так как термояд имеет высокие капитальные затраты, потребуется время на развертывание сети станций, – рассуждает Кирилл Игнатьев. – Но кажется реалистичным, что исследуемые сейчас направления дойдут до массового применения в 2060-е годы, а их доля в потреблении энергии будет видна уже в 2050-х. Как только будет достигнут коммерческий результат – 10 к 1 по соотношению выданной и вложенной энергии, – термояд станет хайповой темой, какой сейчас являются бизнес-проекты в космосе».
Кстати, идеолог коммерческого космоса Илон Маск не питает энтузиазма по отношению к термояду: «Думаю, современные атомные электростанции безопасны, вопреки тому, что думают люди. Я говорю о делении. Вам не нужен синтез».
Впрочем, у такого мнения есть контраргументы. Термоядерный реактор безвреднее атомного: он в принципе не может взорваться, поскольку при нарушении герметичности защитных оболочек реакция затухает сама собой. Нет и опасных отходов: да, тритий обладает радиоактивностью, но она ничтожно мала (по сравнению, например, с плутонием), а в работающем реакторе находится всего несколько граммов этого изотопа.
«С учетом экологических и политических соображений, отказа многих стран от ядерных программ атомная энергетика не может стать универсальным энергетическим базисом, – утверждает руководитель пресс-службы «Проектного центра ИТЭР» Александр Петров. – Также не покроют нашу потребность в энергии солнечные и ветровые электростанции, поскольку их эффективность сильно привязана к локации. Человеку нужен мощный, практически неисчерпаемый источник энергии, который можно построить где угодно. Сегодня и завтра атомная энергетика незаменима, но потом на ее место должна встать энергия термоядерного синтеза. И если не заниматься ей сейчас, то счастливое энергетическое послезавтра может не настать».
Традиционные ВИЭ и термояд будут дополнять друг друга в энергосетях, считает Александр Китаев. «Вначале термоядерные станции будут громоздкими – ими будет выгодно питать большой город или промышленный кластер, – говорит инвестор. – Там же, где надо обеспечить один коттедж, проще тут же развернуть солнечные батареи. Одним словом, еще предстоит понять, как ядерный синтез интегрируется в экономику и наш образ жизни».
По мнению экспертов, есть как минимум одна сфера, где новый источник энергии точно придется ко двору, – это космос. Неслучайно NASA спонсирует термоядерные стартапы, планирующие построить компактный реактор, – TAE Technologies и Helion Energy. «Пока нет термоядерной энергии, о межпланетных перелетах и заселении Марса говорить бессмысленно, – уверен Китаев. – Впрочем, дело не только в них. Через освоение термояда мы можем приблизиться к «новой физике», объяснению черных дыр и воссозданию гравитации. И это будет уже совсем другая история».
Какое место в термоядерной гонке занимает Россия
В наше время Россия является не лидером, но одним из ключевых игроков в сфере термоядерных исследований (наряду с США, Великобританией, Китаем, Францией и Канадой). В нашей стране работают компактные токамаки Т-15МД (модернизированный Т-15 советских времен) и Глобус-М2. Участие в ИТЭР тоже пошло на пользу, став поводом для создания российской сверхпроводниковой промышленности. И не только ее: по подсчетам Анатолия Красильникова, по всей стране в рамках проекта ИТЭР образованы 64 научных и промышленных центра – создание беррилиевой первой стенки, алмазных детекторов, ИТ-инфраструктур и многое другое.
Термоядерная установка "Токамак" Института атомной энергии имени И.В. Курчатова, 1971 год
Тункель / РИА НовостиПомимо этого, до 2024 года действует федеральная программа по развитию технологий управляемого термоядерного синтеза (ожидается ее продление до 2030-го). В ней предусмотрено сооружение токамака с реакторными технологиями (ТRТ), использующего экспериментальную базу, которая была создана еще в 1980-е годы в подмосковном центре «Тринити» для реактора с сильным магнитным полем.
«В TRT электромагнитная система будет состоять из высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, – отмечает Красильников. – К счастью, у нас в стране находится мировой лидер по ВТСП – компания «СуперОкс». Прототип катушки для американского стартапа Commonwealth Fusion Systems, по моим данным, изготовлен из сверхпроводников этой компании. Поэтому мы уверены, что здесь у нас может быть успех. Ведь у американцев с этим сверхпроводником уже прошли успешные испытания. Кроме того, наличие готовой базы позволит сэкономить на строительстве».
Есть и проект в области лазерного зажигания: в Российском федеральном ядерном центре (РФЯЦ, город Саров) достраивается установка УФЛ-2М, создание которой тоже началось в конце 1980-х. Ее первый модуль был запущен в 2020 году. Итоговые параметры выглядят амбициозно: как и в американском центре NIF, капсулу будут облучать 192 лазерных луча, но их совокупная мощность окажется в полтора раза выше.
Правда, как показывает американский и французский опыт, мощность в таких установках не так важна, как идеальная точность работы лазеров: в заграничных опытах первого лазерного зажигания плазмы добивались годами. Но в РФЯЦ утверждают, что именно учет зарубежного опыта позволит России быстрее выйти на нужные результаты.