Термоядерный синтез не скоро сможет заменить углеводороды

Прочитано: 246 раз(а)


Я впервые услышал стандартную шутку о термоядерном синтезе, когда был студентом-физиком в 1960-х годах: мощность термоядерного синтеза появится через 50 лет и, вероятно, так будет всегда.

Спустя более 50 лет у нас все еще нет термоядерного синтеза. Это связано с огромными экспериментальными трудностями при воссоздании миниатюрного солнца на Земле.

Тем не менее, реальный прогресс есть. В этом месяце британским исследователям термоядерного синтеза удалось удвоить предыдущие рекорды по производству энергии . В прошлом году американские ученые были близки к воспламенению, мучительному моменту, когда термоядерный синтез выделяет больше энергии, чем нужно для начала реакции. А небольшие быстроразвивающиеся стартапы в области термоядерного синтеза добиваются успехов, используя различные методы.

Безграничный, чистый источник энергии базовой нагрузки может оказаться в пределах досягаемости — без ядерных отходов традиционных атомных электростанций. Это хорошо, верно?

Не совсем. Хотя мы как никогда близки к тому, чтобы сделать коммерческий термоядерный синтез жизнеспособным, этот новый источник энергии просто не появится вовремя, чтобы выполнить тяжелую работу по декарбонизации.

Термоядерный синтез не скоро сможет заменить углеводороды

Мы ускоряем время, чтобы ограничить ущерб от изменения климата. К счастью, у нас уже есть технологии, необходимые для обезуглероживания.

Каковы успехи в области термоядерного синтеза?

Пять секунд. Именно столько времени британский объединенный европейский торус мог поддерживать термоядерную реакцию, производя достаточно энергии, чтобы обеспечить работу типичного австралийского домашнего хозяйства в течение примерно трех дней. Это небольшая часть энергии, необходимой для осуществления реакции синтеза, в которой использовались два маховика мощностью 500 мегаватт . Это количество энергии удовлетворит пиковые потребности 100 000 средних австралийских домохозяйств. Таким образом, мы все еще далеки от получения чистой энергетической выгоды от термоядерного синтеза.

С технической точки зрения такие достижения просто невероятны. Ядерный синтез — это процесс, который питает такие звезды, как Солнце, и мы работаем над тем, чтобы использовать его для собственного использования.

При очень высоких температурах легкие атомы, такие как водород, могут объединяться с образованием другого элемента, такого как гелий, высвобождая при этом огромное количество энергии.

На Солнце эти реакции синтеза происходят при температуре около 10 миллионов градусов. Мы не можем сделать это при такой температуре, потому что у нас нет доступа к огромному гравитационному давлению в центре Солнца.

Чтобы добиться термоядерного синтеза на Земле, нам нужно стать еще горячее. Гораздо жарче. Эксперименты, подобные тому, что проводится в Великобритании, позволяют перегреть массу газа, называемую плазмой, до невообразимых температур, достигающих 150 миллионов ℃. Плазма должна удерживаться невероятно сильными магнитными полями и нагреваться мощными лазерами.

Эта температура намного выше, чем где-либо еще в нашей Солнечной системе — даже в центре Солнца.

Хотя недавний прогресс представляет собой большой шаг вперед, трезвые размышления предполагают, что до мечты о безграничной чистой энергии из водорода еще далеко.

Что касается мегапроектов, следующим шагом станет строительство Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) на юге Франции. Слишком большой для какой-либо одной страны, это совместные усилия стран, включая США, Россию, Китай, Великобританию и страны-члены ЕС.

Проект огромен: судно в десять раз больше британского реактора, и над ним работают около 5000 технических экспертов, ученых и инженеров. Известно, что самый большой магнит проекта достаточно силен, чтобы поднять авианосец.

Ожидается, что даже этот огромный проект будет производить лишь немного больше энергии, чем потребляет — около 500 мегаватт. Первые эксперименты ожидаются к 2025 году.

Для меня это иллюстрирует, насколько далеким на самом деле является коммерческий термоядерный синтез.

Fusion не успеет вовремя

Потребуются десятилетия, чтобы перейти от этих многообещающих экспериментов к проверенной технологии, питающей современное общество. Это означает, что он просто не успеет внести реальный вклад в замедление и обращение вспять изменения климата.

Чтобы иметь хорошие шансы удержать изменение климата на уровне ниже 2 ℃, мы должны достичь нулевого уровня выбросов во всем мире менее чем за 30 лет.

Мы не можем ждать. Мы должны обезуглерожить энергоснабжение и потребление энергии как можно быстрее.

Многие страны уже движутся со скоростью. Великобритания планирует перейти на электричество с нулевым уровнем выбросов в течение 12 лет. Такие штаты, как Южная Австралия и Новый Южный Уэльс, должны попасть туда примерно в одно и то же время. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к 2025 году возобновляемые источники энергии станут крупнейшим источником производства электроэнергии в мире.

Отказ от базовой нагрузки

Даже если произойдет синтез, он столкнется с серьезными проблемами из-за стоимости растений и меняющейся природы сети.

Во второй половине двадцатого века электростанции стали больше, чтобы добиться эффекта масштаба. Это работало до недавнего времени. Всего десять лет назад крупные угольные или атомные электростанции производили более дешевую электроэнергию, чем солнечные фермы или ветряные турбины.

Эта картина резко изменилась. В 2020 году средние мировые цены на электроэнергию от новых крупных ветряных турбин составляли 4,1 цента за киловатт-час, в то время как солнечные фермы были еще дешевле — 3,7 цента за кВтч. В среднем для нового угля? 11,2 цента/кВтч.

Еще более благоприятная экономическая ситуация привела к крупным инвестициям в возобновляемые источники энергии в 2020 году: 127 гигаватт новых солнечных батарей, 111 новых ветряных и 20 гидроэлектростанций. Напротив, только 3 ГВт чистой ядерной энергии были подключены к сети, в то время как угольная энергия фактически упала.

В результате мы наблюдаем глобальный отход от старых моделей базовой нагрузки, когда электроэнергия вырабатывается на крупных электростанциях и транспортируется к нам по сети.

Эти сдвиги обусловлены стоимостью. Цена электроэнергии из возобновляемых источников энергии сейчас падает ниже эксплуатационных расходов старых угольных или атомных электростанций. Угольная энергия требует выкапывания, транспортировки и сжигания. Возобновляемые источники энергии доставляются бесплатно.

Идея термоядерной энергии заманчива. Есть реальная привлекательность в идее, что мы могли бы заменить большие угольные и газовые станции одной большой электростанцией на чистом термоядерном синтезе. В конце концов, в этом и заключается преимущество Международного термоядерного экспериментального реактора: производить базовую мощность .

Но понадобится ли он нам? Меняется схема питания. Массовое потребление солнечной энергии домашними хозяйствами означает, что теперь мы навсегда перешли от старой модели крупных электростанций к модели, в которой подача распределяется по сети.

Будет технологическим чудом, если мы, наконец, сможем построить термоядерные установки во второй половине этого века. Просто они не успеют.

К счастью для нас, нам не нужен синтез . У нас уже есть то, что нам нужно.

Термоядерный синтез не скоро сможет заменить углеводороды



Новости партнеров