Многомиллиардное начало бума ядерного синтеза

Теоретически, два одиноких ядерных реактора, работающих на небольших гранулах, могут обеспечить энергией всю планету, безопасно и чисто. Такова перспектива ядерного синтеза. Почему же мы все еще полагаемся на ископаемое топливо? Что мешает нам построить такие реакторы повсюду?

В конце концов, ученые работают над технологией ядерного синтеза с 1950-х годов и всегда были оптимистами, полагая, что окончательный прорыв не за горами. Тем не менее, вехи то и дело падали, и теперь ходит шутка, что до практической электростанции на основе ядерного синтеза еще несколько десятилетий.

В настоящее время несколько стартапов открыли свое дело, чтобы бороться с извращенными законами физики, которые до сих пор не позволяли ядерному синтезу стать практическим источником энергии на нашей планете.

Но ни одному из них не удалось вызвать такой энтузиазм инвесторов, как компании Commonwealth Fusion Systems. Эта компания из Массачусетса только что получила более 1,8 миллиарда долларов США в виде крупнейших частных инвестиций в ядерный синтез от множества известных инвесторов, включая Microsoft Corp. (NASDAQ:MSFT) соучредитель Билл Гейтс, Джордж Сорос через свой фонд Soros Fund Management LLC и венчурный капиталист Джон Доерр.

Commonwealth Fusion System находится в хорошей компании.

5 ноября компания Helion Energy объявила о привлечении 500 миллионов долларов в ходе последнего раунда сбора средств, что стало вторым по величине раундом сбора средств для частной термоядерной компании. У Helion есть шанс превзойти Commonwealth Fusion System, поскольку ее последний раунд финансирования включает в себя дополнительные 1,7 миллиарда долларов, привязанные к определенным этапам работы. Между тем, канадская компания General Fusion на этой неделе завершила раунд привлечения средств в размере 130 миллионов долларов, который был переподписан, сообщил генеральный директор компании Кристофер Моури. В следующем году General Fusion планирует начать более масштабную кампанию по привлечению средств.

Согласно данным Ассоциации термоядерной промышленности и Управления по атомной энергии Великобритании, последняя волна вливания денежных средств в термоядерные стартапы уже превысила ранее объявленную сумму в 1,9 миллиарда долларов.

«Это признак роста отрасли», — сказал г-н Моури в интервью Wall Street Journal. 

Различные термоядерные компании разрабатывают различные конструкции термоядерных реакторов, хотя большинство из них полагаются на термоядерный синтез, происходящий в плазме — горячем заряженном газе. Еще в сентябре компания Commonwealth Fusion успешно испытала самый мощный на Земле термоядерный магнит, который удерживает и сжимает плазму.

Commonwealth Fusion Systems сотрудничает с MIT для создания своего термоядерного реактора. Команда запланировала термоядерный эксперимент под названием Sparc, который по объему примерно в 1/65 раза меньше Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). Экспериментальный реактор будет генерировать около 100 МВт тепловой энергии в импульсах длительностью около 10 секунд — всплески, достаточные для обеспечения энергией небольшого города. Команда ожидает, что выходная мощность будет более чем в два раза превышать мощность, используемую для нагрева плазмы, что позволит преодолеть самое большое техническое препятствие в этой области: положительную чистую энергию термоядерного синтеза. Команда Sparc поставила перед собой амбициозную цель — запустить реактор примерно через 15 лет.

Но почему ученые до сих пор не смогли воспроизвести естественный процесс, который питает звезды в нашей Вселенной?

Экстремальный вызов

Оказывается, условия, необходимые для осуществления ядерного синтеза, представляют собой чрезвычайно сложную задачу для нас, землян. 

Принцип работы термоядерного синтеза заключается в том, что легкие элементы превращаются в более тяжелые. Когда два атома водорода сталкиваются достаточно сильно, они сливаются вместе, образуя гелий. Новый атом менее массивен, чем сумма его частей, а остаток преобразуется в энергию в соответствии с эквивалентом массы и энергии E=MC2.

Ладно, это немного упрощенно, поскольку атомы водорода не соединяются напрямую, а скорее в ходе многоступенчатой реакции. В любом случае, суть в том, что ядерный синтез производит чистую энергию только при экстремальных температурах — порядка сотен миллионов градусов Цельсия. Это горячее, чем ядро Солнца, и слишком горячее, чтобы любой известный материал на Земле мог его выдержать.

Чтобы обойти эту трясину, ученые используют мощные магнитные поля для удержания горячей плазмы и предотвращения ее контакта со стенками ядерного реактора. На это расходуется безумное количество энергии. 

Звездам в этом отношении легче, поскольку их огромная масса и мощные гравитационные поля удерживают все вместе. Например, масса Солнца в 333 000 раз больше массы Земли, а сила тяжести в 27,9 раз больше земной.

К сожалению, все эксперименты по термоядерному синтезу до сих пор были энергоотрицательными, т.е. в результате термоядерный синтез получал больше энергии, чем вырабатывал, что делает его бесполезным в качестве способа получения электроэнергии. 

Получение начальной термоядерной реакции не является проблемой — проблемой является ее поддержание, не говоря уже о том, что создание ядерных реакторов требует чрезвычайно сложных инженерных решений, и последнее слово еще не сказано.

Международный мегапроект

Но теперь ученые уверены, что они близки к созданию ядерного реактора, который будет производить больше энергии, чем потреблять. 

Предстоящий Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) в Сен-Поль-ле-Дюранс (Франция) — это крупнейшая в мире установка для термоядерной реакции, целью которой является разработка коммерчески жизнеспособных термоядерных реакторов.

Финансируемый шестью странами, включая США, Россию, Китай, Японию, Южную Корею и Индию, ИТЭР планирует построить крупнейшее в мире термоядерное устройство токамак — клетку в форме пончика, которая будет производить 500 МЭ энергии теплового синтеза. 

Стоимость устройства составит ~24 миллиарда долларов, а срок сдачи намечен на 2035 год. Гигантская машина — самая большая термоядерная установка из когда-либо построенных — будет весить внушительные 23 000 тонн и разместится в здании высотой 60 метров.

Что же изменится на этот раз?

Ученые успешно разработали новый сверхпроводящий материал — по сути, стальную ленту, покрытую оксидом иттрия-бария-меди, или YBCO, что позволяет им создавать более компактные и мощные магниты. Это снижает энергию, необходимую для запуска термоядерной реакции.

Согласно Fusion for Energy — совместному проекту ЕС по созданию ИТЭР — для удержания плазмы температурой 150 миллионов градусов Цельсия будут использоваться 18 ниобий-оловянных сверхпроводящих магнитов, а также тороидальные катушки поля. Мощные магниты будут генерировать мощное магнитное поле, равное 11,8 тесла, что в миллион раз сильнее магнитного поля Земли. Европа изготовит 10 катушек тороидального поля, а Япония — девять.

Однако пройдет еще десятилетие, прежде чем будет построена полномасштабная демонстрационная электростанция с использованием уроков, извлеченных из ИТЭР. После этого промышленные термоядерные электростанции будут подключены к электросети.

На данный момент строительство площадки ИТЭР завершено почти на 80%.