Сможет ли человечество использовать термоядерный синтез как источник энергии?

Ученые давно ведут поиски альтернативных источников энергии для спасения планеты. Один из них — управляемый термоядерный синтез. Разговоры о нем идут уже не одно десятилетие, и, судя по всему, его использование может начаться совсем скоро, считает автор статьи. Он взял интервью у ряда экспертов, чтобы узнать, способны ли термоядерные реакции обеспечить электроэнергией весь мир.

«На вопрос о том, когда же мы, наконец, будем использовать термоядерный синтез, приходится слышать такую шутку: мол, лет через пятьдесят – и это нам говорят каждый год на протяжении полувека. Однако сейчас, как мне кажется, осталось подождать совсем немного».

Внаши дни только самый простодушный ребенок или же руководитель какой-нибудь компании по добыче ископаемого сырья будет искренне настаивать на том, что ситуация с производством энергии вполне себе устойчивая. Ученые начали поиск альтернативных источников энергии, таких как управляемый термоядерный синтез (то есть использование тепла, выделяемого в процессе термоядерных реакций, для выработки электроэнергии), более полувека назад — задолго до того, как человечество осознало масштабы глобального потепления. С момента возникновения исследований в области «термояда» нам все казалось, что использование термоядерного синтеза уже не за горами. Но вот, наконец, пришло время, когда наши ожидания, судя по всему, могут оправдаться. На этой неделе в рамках нашей рубрики вопросов и ответов «Giz Asks» мы взяли интервью у ряда экспертов, чтобы узнать, действительно ли термоядерные реакции способны обеспечить электроэнергией весь мир и когда это произойдет.

Стеффи Дием

Доцент кафедры инженерной физики Висконсинского университета в Мэдисоне. Участница эксперимента Pegasus-III. Область ее научных интересов — разработка инновационных технологий, используемых при создании термоядерного реактора.

Если финансирование разработок в области термоядерной энергии продолжится, тогда я отвечу «да», и в будущем управляемый термоядерный синтез превратится в источник энергии для всего мира. Начиная с 1990-х годов в США основные финансовые ресурсы направлялись на научные исследования в области термоядерного синтеза, а не на разработки, связанные с его использованием для производства электроэнергии. Аналогичные исследования широко велись во всем мире, и сейчас мы все стремимся использовать открывающиеся возможности. Последние технические достижения и общее мнение американских специалистов в области «термояда», согласных с тем, что сейчас необходимо сосредоточиться на разработках в области производства термоядерной энергии, приближают нас к моменту, когда реакции термоядерного синтеза действительно будут использоваться в интересах человечества. Решение этой грандиозной инженерной задачи позволит приблизиться к коммерциализации термоядерной энергии. Наши нынешние исследования в этой области вызывают у меня неподдельный интерес!

Управляемый термоядерный синтез способен обеспечить мир чистой «зеленой» энергией с нулевыми выбросами углерода. В этом процессе используется топливо, которое характеризуется высочайшей энергетической плотностью — необходим лишь дейтерий объемом с ванну с водой и литий в количестве, содержащемся в двух элементах питания для портативного компьютера (используется для воспроизводства трития). Энергии, полученной в результате термоядерного синтеза, будет достаточно для того, чтобы человечество жило долго, никак не загрязняя окружающую среду. Этот маленький объем топлива, который требуется для производства термоядерной энергии, эквивалентен 230 тоннам угля, вследствие сжигания которого в воздух выбрасывается 380 тонн вредных веществ. В процессе перехода человечества к возобновляемой энергии термоядерный синтез способен стать важным элементом из множества энергетических источников (производство термоядерной энергии не зависит от географических и природных условий и сопровождается небольшими выбросами парниковых газов). Топливом для термоядерного синтеза являются изотопы водорода — а это легкодоступный и, по существу, неисчерпаемый источник энергии.

Совсем недавно в американском сообществе, занимающимся термоядерной энергией (университеты, национальные лаборатории и частные компании), завершился двухлетний процесс стратегического планирования, участники которого обозначили те препятствия, которые все еще стоят на пути получения термоядерной энергии в промышленных масштабах. Эта работа началась с изучения отчета Национальной академии наук США о создании условий для термоядерного синтеза, а закончилась подготовкой ряда других докладов (о достижении согласия в сообществе специалистов, занятых термоядерными разработками; отчет Консультативного комитета по проблемам термоядерной энергии Министерства энергетики США; подготовленный в ускоренном порядке отчет Национальной академии наук), посвященных проектированию и строительству экспериментального термоядерного реактора, который будет использоваться для выработки электроэнергии. Окончание соответствующих работ запланировано на 2035 г.

Исследования в области управляемого термоядерного синтеза, опирающиеся на самые последние достижения в науке и технике — одно из самых смелых и интересных научных направлений в США. Строительство более эффективных и компактных токамаков (токамак — это сокращение от слов «тороидальная камера с магнитными катушками» — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. — Прим. ИноСМИ.), а также последние успехи в лазерных технологиях позволили исследователям добиться огромного прогресса в создании условий для термоядерного синтеза. Достижения в технологиях послойного аддитивного наращивания и в других высокотехнологичных производствах позволяют использовать новые материалы и разрабатывать сложные структуры, способные существовать в жестких условиях термоядерных реакций. Высокопроизводительные вычисления эксафлопсного класса открыли возможность моделирования термоядерных реакторов в интересах проектирования и прогнозирования производительности экспериментальных термоядерных установок. Наличие высокотемпературных сверхпроводников позволяет создавать более компактные реакторы, появление которых может изменить правила игры в области термоядерной энергии. Интерес и инвестиции частных компаний благоприятствуют поиску необходимых партнеров в исследованиях и разработках, направленных на использование термоядерного синтеза как решения, которое может сыграть важную роль в противодействии изменениям климата. А на горизонте показался Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР) — первое устройство, проект которого предусматривает демонстрацию возможности производства энергии, превышающей то ее количество, которое потребовалось для запуска реактора, демонстрацию самоподдерживающейся управляемой термоядерной реакции.

Совсем недавно в области изучения управляемого термоядерного синтеза были сделаны два больших шага вперед. Исследователи Массачусетского технологического института и компании Commonwealth Fusion Systems успешно продемонстрировали совместно разработанный высокотемпературный сверхпроводник, а в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) при Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса были достигнуты рекордные показатели в области лазерного термоядерного синтеза.

Дэниел Андручик

доцент кафедры ядерной, плазменной и радиологической инженерии Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне.

На вопрос о том, когда же мы, наконец, будем использовать термоядерный синтез, приходится слышать такую шутку: мол, лет через пятьдесят — и это нам говорят каждый год на протяжении полувека. Однако сейчас, как мне кажется, осталось подождать совсем немного.

Не исключено, что в ближайшие двадцать-тридцать лет мы с вами станем свидетелями того, как начнут использоваться технологии управляемого термоядерного синтеза в качестве источника энергии. Важнейшей ступенькой на пути к достижению этой цели будет Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР), который строится во Франции. Он позволит впервые показать, что мы способны осуществлять термоядерный синтез на уровне, превышающем q = 1 — а это означает, что объем произведенной энергии выше, чем объем потребленной энергии, необходимой для запуска реакции термоядерного синтеза. Однако ученые рассчитывают сделать еще один шаг вперед и получить на выходе энергию, объем которой в десять раз превышает энергию, затраченную на входе. Это означает, что при использовании на входе 50 мегаватт тепловой энергии, будет получена энергия термоядерного синтеза в объеме 500 мегаватт.

Внесем ясность: эта «выходная мощность» не будет поступать в электрические сети или генерировать электроэнергию. Здесь речь идет не о демонстрации производства электроэнергии, а о демонстрации возможности получения плазмы и осуществления необходимых для этого ядерных реакций.

Следующий шаг — запуск экспериментальной установки и первая демонстрация подачи электроэнергии в сеть. Согласно докладу Национальной академии наук США, он должен быть осуществлен к 2050 году. Мы не собираемся делать что-либо запредельное — в электрическую сеть будет передано не более 20 мегаватт мощности, но ведь надо с чего-то начинать.

В Европе и Японии реализуются более крупные проекты. Ученые этих стран рассматривают возможность создания термоядерной установки DEMO, которая, как предполагается, будет вырабатывать 1-2 гигаватта энергии, что позволит на законных основаниях обеспечить снабжение городов. Теоретически мы знаем, как будет работать DEMO, однако эта технология нуждается в дальнейшей доработке. Одна из проблем заключается в том, что материалы, необходимые для создания термоядерных реакторов и способные выживать в адском пекле внутри эти установок, являются чрезвычайно дорогими. Отсюда возникает вопрос: способны ли мы предложить конструкцию реактора, менее требовательного к материалам? Это крайне сложная задача, и нам еще предстоит найти ее решение.

Дерек Сазерленд

сооснователь и руководитель компании CTFusion, Inc., специализирующейся на разработках в области термоядерной энергии.

Как ученый, занимающийся «термоядом», я могу быть не совсем объективным, но мой ответ такой: «Да, конечно».

Мы живем в очень интересное для нашей области исследований время. Работа над созданием научных основ термоядерной энергетики ведется на протяжении более чем пятидесяти лет в основном в рамках исследований и разработок, финансируемых Министерством энергетики США. Нельзя не отметить и важный вклад ученых из других стран.

«Фундамент» уже есть, и многочисленные частные компании, специализирующиеся на термоядерных исследованиях, опираются на него в надежде разработать жизнеспособный коммерческий источник энергии, а в дальнейшем — подключить его к электрическим сетям. В течение ближайших десяти лет несколько компаний получат чистую прибыль от своей деятельности. Многие запланировали уже в 2030-х годах открыть первые коммерческие подразделения. Таким образом, термоядерную энергию больше не будут называть «энергией будущего» — (относительно) скоро она превратится в «энергию настоящего».

Как и в случае с любыми другими новыми технологиями, самая большая трудность заключается в создании первого образца; вслед за этим встает задача наращивания производства с целью захвата доли рынка. Надеюсь, что в конце 2030-х гг. и далее вы станете свидетелями расширения доли рынка энергии, вырабатываемой в термоядерных реакторах, что позволит избавиться от производства электрической энергии из ископаемого топлива и на обычных атомных электростанциях. Использование термоядерной энергии наряду с энергией из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце, позволит добиться нашей основной цели — переход к низкоуглеродной экономике, чтобы предотвратить климатические изменения.

Нельзя не упомянуть о технических рисках. Однако если брать в целом, то в отношении физики плазмы и базовых технологий эти риски уменьшаются. В настоящее время инженерные разработки подобных систем перемещаются в центр нашего внимания. Здесь речь идет о таких технологиях, как теплообменники, турбины и компрессоры. Человечество работает над тепловыми машинами сотни лет, и мы хорошо знаем, как они функционируют — нам необходимо лишь модифицировать их для использования тепла, получаемого в процессе термоядерного синтеза.

Впереди еще много работы, но мы подходим все ближе и ближе к своей цели.

Карлос Ромеро-Таламос

доцент кафедры машиностроения Мэрилендского университета, округ Балтимор.

Мой ответ — «да», управляемый термоядерный синтез в конечном итоге обеспечит удовлетворение большей части мировых энергетических потребностей. Невозможно сосчитать, сколько раз за последние шестьдесят лет в отношении термоядерного синтеза и его способности стать надежным источником энергии высказывались скептические замечания, полные недоверия. На протяжении многих лет мы то и дело слышим, что «до термоядерного синтеза осталось подождать лет двадцать… и так будет всегда». В зависимости от того, кому задан вопрос, срок ожидания может быть разным, но суть остается неизменной. Первые результаты исследований в области термоядерного синтеза вызвали неподдельный энтузиазм, но проходили десятилетия, и уже по поводу термоядерного синтеза стали отпускать шутки, наподобие приведенной мною выше. Чтобы лучше понять кажущееся отсутствие прогресса в научных исследованиях, давайте взглянем на историю финансирования разработок в области термоядерного синтеза — изменения финансирования и даже полное его прекращение на длительные периоды времени. Если в 1970-е годы объем финансирования, выделявшегося на исследования термоядерного синтеза во всем мире увеличился в пять раз, то в 1980-е годы финансирование начало сокращаться и в середине 2000-х годов достигло минимума. Четко выраженные подъемы и спады в финансировании усложнили проведение последовательных экспериментов и сохранение квалифицированного персонала. Однако в настоящее время в финансировании исследований и разработок имеет место тенденция к росту, который может еще более ускориться.

Для того чтобы энергетический реактор был способен использовать энергию, порождаемую в процессе реакции термоядерного синтеза, необходимо достаточное количество частиц, которые удерживаются при достаточно высокой температуре на протяжении достаточно долгого времени таким образом, чтобы они, эти частицы, могли сблизиться на соответствующее расстояние, в результате чего начинается термоядерный синтез (в процессе синтеза, как известно, высвобождается гигантское количество энергии). Таким образом, мы видим совокупность сразу трех факторов: плотности, температуры и времени удержания — сравнение этих параметров можно использовать для того, чтобы понять, насколько вырос чистый прирост энергии в термоядерных реакторах различных типов. Наилучший результат в этом смысле, хотя и на очень короткое время, продемонстрировал еще двадцать пять лет тому назад токамак, то есть установка, по форме напоминающая бублик. Токамаки функционировали именно так, как предполагали ученые и должны были стать промежуточным этапом на пути к конечной цели — коммерческим реакторам с высоким чистым приростом энергии. Следующим естественным шагом было бы финансирование исследований и разработок по токамакам с тем, чтобы добиться чистого прироста энергии в течение более длительного периода времени. Однако Европейский союз, США, Россия, Корея, Япония, Индия и Китай приняли решение о строительстве такого устройства (Международного экспериментального термоядерного реактора, или ИТЭР) только в 2006 году. В ближайшие четыре года на ИТЭР будет проведен ряд экспериментов, хотя первоначально предполагалось, что они начнутся в 2016 году. Причины задержки носят не столько научный, сколько политический характер. Хорошая новость заключается в том, что за прошедшее время благодаря моделированию и экспериментам на существующих устройствах мы стали лучше понимать, как функционируют токамаки, и теперь полагаем, что ввод в строй ИТЭР наконец-то позволит ученым добиться поставленных целей. За последние несколько лет в компьютерном моделировании и диагностике экспериментов, связанных с термоядерным синтезом, был достигнут большой прогресс — это напоминает прогресс, достигнутый в области производства обычных компьютеров и мобильных телефонов, которые мы покупаем. Ученые используют все более сложные его модели, а уровень детализации непрерывно растет.

Перспективный термоядерный реактор, возможно, будет значительно отличаться от ИТЭР, поскольку размеры и стоимость международного реактора делают его коммерчески непривлекательным. В то же время благодаря работе над созданием ИТЭР были достигнуты значительные успехи в создании важнейших технологий. В частности, были разработаны сверхпроводящие магниты (необходимые для термоядерных реакторов типа токамак), позволяющие существенно увеличить время удержания плазмы по сравнению с показателями 10-летней давности. Это позволит уменьшить размеры термоядерных реакторов, увеличить их экономическую эффективность и сократить время выхода на рынок. Вследствие настоятельной необходимости решения проблемы изменения климата и декарбонизации наших источников энергии возобновился интерес к финансированию исследований в области термоядерной энергии.

Все больше частных компаний занимаются разработками в области коммерческого управляемого термоядерного синтеза. За последние двадцать лет государственные и частные инвесторы вложили в них сотни миллионов долларов. Многие из новых предприятий делают ставку на концепции, отличающиеся от токамака, и в случае успеха у нас появится возможность выбора из целого ряда термоядерных реакторов, способных обеспечивать энергией буквально все — начиная от крупных электрических генераторов и заканчивая моторными лодками. Результаты экспериментов на ИТЭР будут иметь важнейшее значение для всего сообщества ученых, занимающихся исследованиями в области термоядерного синтеза, поскольку они позволят проверить технологические решения, общие для различных концепций реакторов. До запуска первого коммерческого термоядерного реактора еще предстоит проделать большую работу, в том числе в области проектирования и регулирования, а также заручиться публичным признанием. Однако все равно мы видим, что на пути к этой цели темпы разработок и финансирования непрерывно повышаются. В настоящее время вопрос заключается не в том, будут ли созданы термоядерные реакторы, способные обеспечить человечество энергией, а в том, насколько быстро мы сможем сделать их доступными и эффективными с коммерческой точки зрения.

Омар Харрикэйн

главный научный сотрудник Программы по термоядерному синтезу с инерционным удержанием плазмы при Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса.

Управляемый термоядерный синтез станет одним из важных источников энергии во всем мире лишь в далеком будущем. Не думаю, что он будет играть сколько-нибудь важную роль в ближайшие несколько десятилетий. В последнее время в исследованиях по термоядерному синтезу был достигнут значительный прогресс, и мы постепенно с технической точки зрения приближаемся, образно говоря, к точке «безубыточности». Однако для того чтобы с помощью «термояда» начать производить энергию, необходимо эту «безубыточность» превзойти и добиться значительно большего чистого прироста энергии. Почему так долго? А дело вот в чем: даже на строительство атомной электростанции, использующей хорошо известные технологии деления ядер, уходит не меньше десяти лет. На данный момент термоядерный синтез все еще остается научным экспериментом.