Гонка за термоядерным синтезом ускоряется

Если ученым удастся обуздать ядерный синтез — процесс, который заложен в основе нашего Солнца, — он предоставит практически безграничный источник чистой энергии. Но до сих пор в ходе экспериментов ни разу не удавалось выработать больше энергии, чем было вложено для запуска и поддержания процесса. Хотя регулярно рапортуют о новых рекордах на реакторах термоядерного синтеза в разных уголках планеты. А в мире появляются частные фирмы, которые хотят в 2030-х первыми оседлать коммерческие реакторы. Насколько близко мы подобрались к прорыву?

Про амбициозный проект ITER — крупнейшую научную и инженерную стройку нового века — мы подробно рассказывали несколько лет назад. С тех пор проект подорожал до $22 млрд. Во Франции кипит стройка, на которой сейчас возводят систему отвода тепла.

Коронавирусная пандемия слегка ударила по планам, однако к первым экспериментам по термоядерному синтезу хотят приступить уже в 2025 году — вполне осязаемое будущее. Тем не менее множество экспериментов в куда меньших масштабах уже ведется на различных экспериментальных установках. Об их успехах и значении и поговорим. Но сперва быстро по теории.

В глубинах нашего Солнца под действием огромных температур и гравитации миллиарды лет идет реакция термоядерного синтеза. Ядра водорода сталкиваются, образуются тяжелые атомы гелия, высвобождаются нейтроны и огромное количество энергии, благодаря которой зародилась и поддерживается жизнь на нашей планете в том виде, в котором мы ее знаем.

Чтобы поджечь такое миниатюрное солнце в земных условиях, нужно удерживать плазму от соприкосновения с чем бы то ни было с помощью магнитного поля. ITER, к примеру, будет работать следующим образом:

Несколько граммов газообразного дейтерия и трития вводят в огромную камеру в виде пустотелого бублика. Это так называемый токамак.
Газ нагревают, пока он не превратится в ионизированную плазму.
Плазму удерживают в стабильном состоянии с помощью сложной системы сверхпроводящих магнитных катушек.
При достижении температуры плазмы порядка 150 млн градусов по Цельсию начинается реакция синтеза.
В реакции синтеза совершенно крошечное количество массы преобразуется в огромное количество энергии в виде тепла. Процесс напоминает тот, что происходит на Солнце.
Вода, которая циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар.
Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

Рекорд по энергии

Ученые с экспериментального реактора Joint European Torus в Калхэмском центре термоядерной энергии под Оксфордом на этой неделе сообщили, что им удалось удвоить рекорд по количеству энергии, вырабатываемой при слиянии атомов. Предыдущий рекорд держался 24 года, побить его удалось в конце декабря 2021-го.

Чтобы превзойти рекорд, 21 декабря в JET использовали тритиевую топливную смесь — ту же самую, которая будет питать ITER. Тритий — редкий радиоактивный изотоп водорода, который при слиянии с дейтерием производит больше нейтронов, чем реакция исключительно на дейтерии. Это увеличивает выход энергии. На протяжении двух лет JET модернизировали, чтобы подготовить к новой мощности.

Токамак JET за время 5-секундного импульса произвел 59 мегаджоулей энергии. Предыдущий рекорд был равен 21,7 мегаджоулям за 4 секунды.

Такие краткосрочные эксперименты с производством энергии важны для понимания нагрева, охлаждения и движения плазмы внутри. Однако один из самых важных параметров, который укажет на жизнеспособность коммерческих реакторов термоядерного синтеза, — это отношение выходной мощности к потребляемой, известное как значение Q. Единица будет прорывом, который свидетельствует о безубыточности процесса. Последний эксперимент JET поддерживал значение Q в 0,33 в течение 5 секунд.

Как объясняют исследователи, JET обладает объемами в 10 раз меньше, чем ITER, — это как ванная по сравнению с бассейном. Маленький экспериментальный реактор быстрее теряет тепло, а потому от него не ждут выхода на уровень безубыточности по энергии. Но нынешний показатель демонстрирует, что на ITER есть вероятность добиться Q со значением 10.

JET смог добиться результата, предсказанного моделированием. То же самое моделирование говорит, что и ITER будет работать и продемонстрирует хорошие показатели. Результаты JET важны в том плане, что они помогут ученым предсказать, как будет себя вести ITER и как управлять его рабочими настройками.

Рекорд по времени

Китай в начале этого года отрапортовал о рекорде длительного удержания плазмы. Хэфэйский институт физических наук работает с экспериментальным усовершенствованным сверхпроводящим токамаком (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). Эта установка также является одним из испытательных полигонов для ITER, китайские ученые, как и их коллеги из нескольких десятков стран, слаженно трудятся над общим международным проектом.

Год назад на EAST удалось разогреть плазму до 120 млн градусов по Цельсию и поддерживать реакцию на протяжении 101 секунды. А в конце 2021-го EAST поставил рекорд по устойчиво высокой температуре. Плазма в китайском токамаке разогрелась до 70 млн градусов по Цельсию, а реакцию поддерживали в стабильном состоянии на протяжении 1056 секунд — это самый долгий срок в истории подобных аппаратов.

Для примера: в 2020 году корейский сверхпроводящий токамак удерживал высокотемпературную плазму в течение 20 секунд. Температуры и длительность удержания год из года растут, корейцы и китайцы перебивают рекорды друг друга, но на этот раз ученые из Поднебесной поставили точку пожирнее.

Установка экспериментальная, а потому генерация энергии из этих температур не предусмотрена: китайские ученые концентрируются на технологиях, необходимых для поддержания реакции внутри токамака в стабильном состоянии.

Рекорд по частным фирмам

Когда передовые технологии оказываются близки к коммерческому воплощению, появляется много компаний, готовых оседлать волну инноваций. Согласно отчету Fusion Industry Association, сейчас в мире насчитывается более 30 частных фирм, работающих в сфере термоядерного синтеза. 18 из этих компаний, которые объявляли о привлечении инвестиций, в общей сложности получили более $2,4 млрд от инвестиционных фондов. Одна из них — TAE Technologies — привлекла более $880 млн от Goldman Sachs, семьи Рокфеллеров и сооснователя Microsoft Пола Аллена.

Эта американская фирма обещает ускорить внедрение термоядерного синтеза, практическое применение которого ученые в ближайшие два-три десятка лет даже не рассматривают, с помощью вычислительных мощностей Google.

TAE Technologies использует отличную от популярных токамаков форму реактора — не полый бублик, а вытянутый цилиндр длиной 30 метров. Для управления высокотемпературной плазмой нужна точно настроенная система. К ее-то настройке и привлекают компьютерные алгоритмы Google.

Всякое проектирование элементов и нового оборудования для реактора TAE под названием C2W Norman сопровождается советами от алгоритмов. Машинное обучение также используется для реконструкции экспериментов. Утверждают, что алгоритмы позволяют за день решить проблему, на которую в обычном режиме ушло бы два месяца.

Norman проектируется с прицелом на то, что два шара плазмы будут сталкиваться на сверхзвуковой скорости внутри трубы. Топливом для плазмы будут водород и бор, которые требуют чрезвычайно высоких температур — речь о нескольких миллиардах градусов по Цельсию. Звучит чересчур фантастически, но авторы проекта уверены в достижении таких значений, так как полагаются на ускорение частиц.

TAE Technologies собирается в 2030 году выпустить первый коммерческий и в то же время тестовый термоядерный реактор. Многие другие фирмы также нацелились на 2030-е как на время расцвета энергии синтеза. Проводят много параллелей с космической отраслью, которая в свое время была завязана исключительно на государстве, а в последний десяток лет все больше основывается на частной инициативе.

«Есть очень хороший шанс добраться до термоядерного синтеза менее чем за десять лет», — говорит Михл Биндербауэр, исполнительный директор TAE Technologies.

С другой стороны, ученые, которые не работают на частные фирмы, куда менее оптимистичны: частные компании трубят о десятилетии, необходимом только на привлечение спонсоров.

В британской Tokamak Energy (сотрудничает с CERN) и американской Commonwealth Fusion Systems (дочка Массачусетского технологического института) с этим не согласны. Уже в 2025 году эти фирмы собираются продемонстрировать сферический токамак (полое яблоко) во много раз меньше ITER. На таких установках хотят генерировать около 100 мегаватт энергии, а вкладывать в их работу меньше. То есть значение Q у этих установок будет целочисленным и не минусовым.

Оптимизм связан с новыми видами магнитов, изготовленных из лент высокотемпературных сверхпроводящих материалов. CFS использует магниты на основе оксида иттрия-бария-меди. Дело в том, что все проводящие материалы становятся сверхпроводниками при температурах ниже температуры окружающей среды. Им нужно мощное охлаждение. У ITER будут гигантские магниты и сложная система охлаждения их жидким гелием, что для инженеров представляет настоящий кошмар.

В свою очередь, высокотемпературные сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом, который дешев и прост в обращении и хранении. Эти новые магниты оказываются настоящей сказкой для энергии термоядерного синтеза.

Еще каких-то три года, и мы сможем собственными глазами увидеть, удалось ли частной инициативе обогнать международное сообщество ученых при поддержке государства.