Ядерный синтез десятилетиями был несбыточной мечтой, но на самом деле он может оказаться на пороге коммерческой жизнеспособности.

В переполненном поле перспективных нулевых решений ядерный синтез выделяется своими масштабами и амбициями. Успешно воспроизведя реакцию, приводящую в действие Солнце, человечество могло бы, по словам Стивена Хокинга, открыть «неисчерпаемый источник энергии без загрязнения окружающей среды или глобального потепления». Тем не менее, развитие термоядерного синтеза в течение десятилетий шло медленными темпами, и прорывы в лучшем случае были прерывистыми.

Это может измениться. Благодаря широкому международному сотрудничеству и миллиардам долларов государственных и частных инвестиций ученые недавно добились ряда значительных успехов как в продолжительности, так и в мощности, возможной в результате термоядерных реакций.

В то время как ядерное деление — процесс, который приводит в действие обычные атомные электростанции — включает в себя расщепление атомов, синтез происходит, когда пара легких атомных ядер объединяется в одно более тяжелое. Когда это происходит, высвобождается огромное количество энергии: в четыре раза больше, чем при делении, и почти в 4 миллиона раз больше, чем при сжигании ископаемого топлива. С точки зрения безопасности расплавление ядер практически невозможно, и образуется лишь небольшой объем относительно короткоживущих радиоактивных отходов.

Невероятные перспективы Fusion реализуются консорциумом физиков со всего мира при поддержке правительств Китая, России, США и нескольких европейских стран. Благодаря открытым источникам финансирования недавно был достигнут значительный прогресс в преодолении целого ряда научных проблем, не в последнюю очередь в связи с огромными температурами, необходимыми для запуска термоядерной реакции. В ядре Солнца атомы соединяются при температуре примерно 10 миллионов градусов по Цельсию; на Земле, где гравитационные силы намного, намного меньше, требуется как минимум в 10 раз больше тепла.

Поскольку ни один известный материал не может выдержать контакт с такими палящими температурами, ученые разработали различные методы удержания сверхгорячей плазмы — облака заряженных частиц, в которых происходит синтез, — чтобы обеспечить непрерывный выход энергии. В Калифорнии National Ignition Facility (NIF) разрабатывает использование мощных лазеров для сжатия термоядерного топлива в крошечном пространстве, в то время как исследователи в других частях мира выступают за удержание с помощью сильных магнитных полей.

Многообещающий прогресс

Совместный европейский торус (JET) является пионером последнего. Лаборатория JET, базирующаяся в Великобритании, побила свой собственный мировой рекорд по мощности синтеза и недавно сумела произвести и поддерживать сравнительно высокий уровень тепловой энергии в течение пяти секунд. Было произведено чуть менее 60 мегаджоулей (МДж) энергии — достаточно, чтобы вскипятить несколько десятков чайников, — но это стало значительным шагом вперед в поисках устойчивой термоядерной энергии.

«Пятисекундный импульс и 59 МДж производства энергии могут показаться не такими уж большими, но они показывают, что мы способны достичь устойчивого разряда, обеспечивающего высокий выход термоядерного синтеза», — говорит Жоэль Майлу, физик-ядерщик, один из руководителей исследовательская группа JET. «Теперь у нас есть план масштабирования операций в будущем с целью поддерживать производительность гораздо дольше, чем несколько секунд».

Однако для глобальных исследований в области термоядерного синтеза остаются огромные препятствия. Рекордный эксперимент JET потреблял значительно больше энергии, чем производил — чистый прирост энергии от синтеза еще нигде не продемонстрирован — в то время как магниты, используемые для удержания плазмы, нагревались слишком быстро для продолжительной работы.

Тем не менее, прогресс есть. Ранее в этом году китайским ученым удалось провести 17-минутную термоядерную реакцию, хотя и с источником топлива, который не подходит для крупномасштабного производства энергии. Кроме того, есть Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) — самый амбициозный в мире термоядерный проект, который, если все пойдет хорошо, будет введен в эксплуатацию к середине десятилетия.

Опираясь на данные программы JET, которая скоро будет выведена из эксплуатации, гораздо более крупный объект ИТЭР на юге Франции строится из материалов, способных выдерживать гораздо более высокие температуры, что теоретически позволяет проводить эксперименты по термоядерному синтезу достаточно долго, чтобы производить больше энергии. чем потребляют. Но это вряд ли произойдет раньше конца 2040-х годов, говорят эксперты , и когда это произойдет, невозможно сказать, как быстро термоядерная энергия станет рентабельной.

«Шквал стартапов»

Другая серьезная проблема связана с двумя формами водорода, дейтерием и тритием, используемыми в качестве топлива для термоядерной реакции ИТЭР. Дейтерий в изобилии можно получить из морской воды, но тритий встречается исключительно редко ( считается, что во всем мире существует всего 20 кг ). По словам Майлу, для преодоления этого дефицита изучаются методы «размножения» трития во время синтеза, но опять же, эта технология, вероятно, будет реализована через несколько десятилетий .

Войдите в частное предприятие. В последние годы появилось множество стартапов, ищущих альтернативные решения для термоядерного синтеза, чему способствовали миллиарды долларов венчурных инвестиций . Среди них TAE Technologies, поддерживаемая Google и Chevron, калифорнийская фирма, разрабатывающая термоядерные реакторы без трития.

Заменив дефицитный изотоп водорода тритий на нерадиоактивный водород-бор, исполнительный директор TAE Михл Биндербауэр полагает, что его команда сможет обойти проблемы, связанные с доступностью топлива, и начать коммерческое производство энергии уже в начале 2030-х годов.

«Наши машины намного компактнее других термоядерных реакторов; маленький город может питаться от одного, размером примерно с пару двухэтажных автобусов», — говорит Биндербауэр. «Это означает, что их будет легче производить централизованно, открывая экономию за счет масштаба».

Когда дело доходит до ценообразования, TAE настроена оптимистично: стоимость за кВтч начнется со среднего уровня, утверждает Биндербауэр, где-то между ядерным делением в верхней части и природным газом в нижней части. И по мере снижения стоимости изготовления сложных компонентов будет снижаться и цена энергии.

Однако не все в мировом научном сообществе так уверены. Будучи студентом-физиком в 1960-х годах, почетный профессор Ян Лоу — эксперт по зеленой энергетике в Университете Гриффита в Австралии — впервые услышал, что коммерческая термоядерная энергия появится не раньше, чем через 50 лет. Спустя более полувека он обеспокоен тем, что это все еще так.

«Да, были интересные разработки, но в конечном итоге все потенциальные термоядерные реакторы все еще находятся на стадии исследований, и сейчас нам нужны решения в области экологически чистой энергии», — говорит Лоу. «У нас уже есть возобновляемые источники энергии, которые могут генерировать экономически эффективную энергию с нулевым выбросом углерода; их масштабирование должно быть в центре нашего внимания».