В декабре прошлого года исследователи из Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США (National Ignition Facility) достигли того, что многие в индустрии термоядерного синтеза называют моментом «Братьев Райт». Используя лазер, они облучили сосуд из золота импульсом энергии длиной в микросекунду и получили в итоге примерно на 50 процентов больше энергии, чем они вложили. Этот процесс называется термоядерным зажиганием (Fusion ignition), и это триумф, которого ждали с 1970-х годов. Технология термоядерного синтеза, которая всегда находилась в 30-летней перспективе, внезапно стала ближе.
Но не слишком близко. Эксперимент по зажиганию все еще потребляет энергию в целом, потому что лазер сжег гораздо больше энергии, чем доставил к цели. И еще многое предстоит выяснить о том, как использовать энергию термоядерного синтеза для получения электричества. Но полученный результат напомнил давние прогнозы о том, что термоядерный синтез решит все энергетические проблемы человечества. Стартапы, работающие над термоядерным синтезом, в этом году отметили всплеск интереса со стороны инвесторов. Правительство США объявило о рекордном финансировании исследований в размере 1,4 миллиарда долларов, что является началом 10-летнего пути к практическому термоядерному синтезу. Потенциальная выгода велика: Разберитесь в науке, гласит мудрость, и термоядерный синтез откроет «неограниченную чистую энергию».
Во многом это выражение верно. Просто посмотрите наверх, на этот горящий шар в небе. У него в запасе еще 5 миллиардов лет. Различные национальные программы, крупная международная программа под названием ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) и по меньшей мере 40 частных компаний пытаются создать копию этого процесса здесь, на Земле. Цель состоит в том, чтобы столкнуть атомы друг с другом — как правило, два атома водорода, образуют гелий — и в процессе теряют немного массы, что, следуя формуле e = mc2, означает также высвобождение энергии. Поэтому можно утверждать, что энергия термоядерного синтеза настолько же безгранична, насколько безграничны атомы водорода во вселенной.
Но следуя той же логике, ветряные электростанции и солнечные панели также могут выглядеть неисчерпаемыми, питаемыми бесконечными потоками давления воды, ветра и фотонов. На самом деле, конечно, они ограничены практическими соображениями. Разрешения от властей. Финансирование. Конструкции и цепочки поставок, которые нужны для производства лопастей турбин и фотоэлектрической пленки. Особенности сложных электросетей, которые требует питания в неподходящее время или не имеет соединений в определенных зонах.
Вот почему, по мере развития этой сферы, некоторые сейчас начинают изучать вероятные практические и экономические ограничения термоядерного синтеза. Текущие выводы говорят, что термоядерная энергия не будет дешевой и уж точно не будет самым дешевым источником электроэнергии в ближайшие десятилетия, поскольку в электросетях по всему миру появляется все больше солнечной и ветряной энергии. Но термоядерный синтез все еще может найти свое место, потому что энергосистема нуждается в энергии в разных формах и в разное время.
«Мне было интересно, как, черт возьми, термоядерный синтез может когда-либо экономически конкурировать с поразительными достижениями в области возобновляемых источников энергии» — Джейкоб Шварц, физик из Принстонской лаборатории физики плазмы.
Это был вопрос, который вдохновил на переход от работы над деталями термоядерной инженерии к экономике энергосистем.
В статье, опубликованной в журнале Joule, Шварц и его коллеги использовали сложную модель энергосистемы США в период с 2036 по 2050 год, чтобы изучить условия, при которых было бы экономично построить термоядерные электростанции мощностью 100 гигаватт, достаточные для питания примерно 75 миллионов домов. Насколько же дешевым должна быть термоядерная электростанция, чтобы ее использовать?
Результаты показывают, что ответ может сильно варьироваться в зависимости от стоимости и сочетания других источников энергии в обезуглероженной электросети, таких как возобновляемые источники энергии, ядерные электростанции или установки на природном газе, оснащенные устройствами улавливания углерода. В большинстве сценариев термоядерный синтез, скорее всего, займет нишу, очень похожую на ту, которую сегодня занимает старое доброе ядерное деление, хотя и без тех же проблем с безопасностью и отходами. Обе системы, по сути, являются гигантскими, в которых используется множество специализированного оборудования для извлечения энергии из атомов, чтобы она могла нагревать воду и приводить в действие паровые турбины, что означает высокие первоначальные затраты. Но хотя энергия, которую они вырабатывают, может быть дороже, чем от возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, это электричество является чистым и надежным независимо от времени суток или погоды.
Итак, может ли термоядерный синтез конкурировать на этих условиях? Цель исследования состояла не в том, чтобы оценить затраты на отдельный реактор. Но хорошей новостью является то, что Шварцу удалось найти по крайней мере одну конструкцию, которая могла бы производить энергию по конкурентоспособной цене: Aries-AT, относительно детальную модель термоядерной электростанции, разработанную физиками Калифорнийского университета в Сан-Диего в начале 2000-х годов. Шварц предостерегает, что это всего лишь одна точка сравнения, и другие термоядерные установки вполне могут иметь разные профили затрат или по-разному вписываться в энергосистему в зависимости от того, как они используются. Кроме того, география будет иметь значение. Например, на Восточном побережье США, где ресурсы возобновляемых источников энергии ограничены, а передача затруднена, моделирование показало, что термоядерный синтез может быть полезен по более высоким ценам, чем на Западе. В целом, справедливо представить будущее, в котором термоядерный синтез станет частью «разнообразного энергетического рациона» энергосистемы США, говорит он.
В более раннем анализе, проведенном в 2021 году, Сэмюэл Уорд, физик, работавший в то время в Йоркском университете, и его коллеги придерживались более осторожных взглядов. Они описывают ряд сценариев, которые могут отодвинуть термоядерный синтез на второй план, некоторые из которых могут стать хорошими новостями для мира: например, ветроэнергетика и солнечная энергия могут выполнить большую часть работы по обезуглероживанию энергосистемы к тому времени, когда появится термоядерный синтез. Даже обычные атомные электростанции могли бы стать более результативными с разработкой так называемых «малых модульных реакторов», которые спроектированы так, чтобы быть более дешевыми в строительстве. Кроме того, говорит Уорд, который сейчас работает в Технологическом университете Эйндховена в Нидерландах, прогнозы затрат на термоядерный синтез включают материалы и цепочки поставок, которых во многих случаях еще не существует.
«По сути, все сводится к большой неопределенности. Это коварное чувство, особенно когда люди выдвигают идею «Святого Грааля» или «безграничной» энергии. Они используют эти слова, и я не думаю, что это пошло термоядерному синтезу на пользу»
.Компании, занимающиеся термоядерным синтезом, что неудивительно, стремятся объяснить, почему их разработки не только изменят физику термоядерного синтеза, но и будут уникальны в экономическом смысле. Предлагаемые реакторы можно в целом разделить на две категории: в одном, известном как токамак, используются мощные магниты для получения плазмы. Другой использует подход, называемый инерционным удержанием, цель которого — разбить цель и зарядить ее энергией, поразив ее лазером, как в эксперименте NIF по воспламенению, или высокоскоростными снарядами.
«Это не тот вопрос, который мне задают очень часто», — говорит Михль Биндербауэр, генеральный директор TAE Technologies, когда его спрашивают об организации экономики его компании. Люди с большей вероятностью спросят, как он планирует разогреть плазму в своем реакторе до 1 миллиарда градусов Цельсия, по сравнению с 75 миллионами, продемонстрированными компанией на данный момент. Но эти вопросы взаимосвязаны, говорит он.
Такая экстремальная температура необходима, потому что TAE Technologies использует бор в качестве топлива наряду с водородом, что, по мнению Биндербауэра, в конечном итоге упростит термоядерный реактор и приведет к удешевлению строительства электростанции. Он оценивает затраты где-то между классическим расщеплением и возобновляемыми источниками энергии — примерно там, где, по мнению разработчиков моделей из Принстона, это должно быть. Он указывает, что, хотя строительство термоядерных установок будет дорогостоящим, топливо будет чрезвычайно дешевым. Кроме того, более низкий риск аварий и меньшее количество радиоактивных отходов высокого уровня должны означать отсрочку от дорогостоящих нормативных актов, которые привели к росту затрат на установки для деления.
Боб Мамгаард, генеральный директор Commonwealth Fusion Systems, дочернего предприятия Массачусетского технологического института, говорит, что он был рад увидеть Принстонское моделирование, потому что он считает, что их токамак может снизить высокие требования к затратам. Оно основано на сверхмощном магните, который, как надеется компания, позволит ей использовать эту модель токамак и, следовательно, электростанции в меньших масштабах, экономя деньги. CFS строит уменьшенный прототип своей конструкции термоядерного синтеза в Массачусетсе, который будет включать в себя большинство компонентов, необходимых для работающей установки. «Вы действительно можете пойти и посмотреть на это, потрогать и посмотреть на устройства», — говорит он.
Николас Хоукер, генеральный директор First Light Fusion, компании, занимающейся инерционным термоядерным синтезом, опубликовал свой собственный экономический анализ термоядерной энергетики в 2020 году и был удивлен, обнаружив, что наибольшие затраты связаны не с термоядерной камерой и ее необычными материалами, а с конденсаторами и турбинами, необходимыми любой электростанции.
Тем не менее, Хоукер ожидает более медленного роста этого вида электростанций, чем некоторые из его коллег. «Первые электростанции будут постоянно ломаться», — говорит он, и отрасли потребуется значительная государственная поддержка — точно так же, как это было с солнечной промышленностью за последние два десятилетия. Вот почему он считает, что это хорошо, что многие правительства и компании пробуют разные подходы: это увеличивает шансы на то, что некоторые из технологий выживут.
Шварц соглашается. «Было бы странно, если бы Вселенная допускала существование только одной формы термоядерной энергии», — говорит он. Это разнообразие важно, потому что в противном случае отрасль рискует разобраться в этой отрасли науки только для того, чтобы загнать себя в угол. Как ядерное деление, так и солнечные панели ранее проходили через аналогичные периоды экспериментов на своих технологических путях. Со временем оба проекта сошлись на единых конструкциях — фотоэлектрических элементах и массивных реакторах на воде под давлением, которые были построены по всему миру.
Однако для термоядерного синтеза перво-наперво это наука. В ближайшее время это может не сработать. Возможно, на это потребуется еще 30 лет. Но Уорд, несмотря на свою осторожность относительно пределов термоядерного синтеза в энергосети, по-прежнему считает, что исследования уже окупают себя, порождая новые достижения в фундаментальной науке и в создании новых материалов. «Я все еще думаю, что это того стоит», — говорит он.
