Термоядный беби-бум: рассказываем о перспективных установках

Филипп Болл из британского научного журнала BBC Science Focus задался вопросом: «А могут ли частные стартапы в сфере ядерного синтеза преуспеть там, где провалились большие игроки?» — и отправился в городок Абингдон в графстве Оксфордшир. Так появилась статья под названием «Знакомьтесь: альтернативщики, которые строят ядерный реактор у вас по соседству» (Meet the renegades building a nuclear fusion reactor in your neighbourhood). Оригинал опубликован на sciencefocus.com, но и нашим читателям не помешает познакомиться с теми, кто, обзаведясь «материнским капиталом», делает установки-малютки.

Абингдон — настоящая английская глубинка, считается самым древним поселением на территории современной Великобритании. Основанный еще в железном веке, Абингдон был важнейшим торговым центром в Средневековье, но к ХХ веку пришел в полный упадок. Сейчас там проживает чуть меньше 40 тыс. человек. Железнодорожную станцию за ненадобностью закрыли много лет назад, поэтому добраться до городка можно только на автобусе или на машине.

Под кодовым названием ST40

На окраине Абингдона расположен технопарк. По прибытии туда Болл с удивлением обнаружил, что технопарк в основном населен магазинами кухонных гарнитуров и курьерскими службами и мало походит на место, где, возможно, решится глобальная энергетическая проблема. Но журналист точно знал, что какой-то из этих десятков безликих складов арендовала компания, которая намеревается обуздать энергию Солнца.

Tokamak Energy работает над устройством под кодовым названием ST40, напоминающим подводный аппарат из романов Жюля Верна. В сферическом корпусе из блестящей стали есть стеклянные отверстия, через которые можно наблюдать за всем, что происходит внутри. Это токамак, правда, он еще в процессе сборки после переезда из предыдущего помещения компании. Но как только его соберут и запустят, вряд ли вы захотите оказаться поблизости. Внутри ST40 будет водородная плазма — в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Дэвид Кингхэм, исполнительный вице-председатель Tokamak Energy, рассказал Боллу, что, когда установка работала в прошлый раз, на короткий миг она стала самым горячим местом в Солнечной системе (температура плазмы 15 млн °C на ST40 достигнута в 2018 году).

Tokamak Energy, в штате которой всего 50 человек, входит в число тех небольших компаний, которые верят, что способ использовать термояд в энергетике найдут частные стартапы, а не гигантские международные проекты, бьющиеся над этим уже не первое десятилетие.

Токамак в кузове

Более 40 экспериментальных токамаков разрабатывают или уже испытывают в больших исследовательских центрах по всему миру. Но, например, согласно дорожной карте Евросоюза по термояду, демонстрационная модель ИТЭР должна дать электроэнергию в сеть в районе 2050 года, а коммерческая версия появится через несколько десятков лет после этого.

Ученые из Tokamak Energy уверены, что успеют куда раньше научных гигантов. В 2015 году один из консультантов компании, физик Алан Костли, предложил идею токамаков небольшого размера — чтобы поместились в кузове грузовика. Принято считать, что токамаки должны быть огромными, чтобы поддерживать плазму горячей длительное время, а вот Костли убежден, что небольшие токамаки могут работать с более плотной плазмой, что делает их эффективными. Идея вызвала горячие возражения, но Tokamak Energy осталась при своем мнении: малая форма — ключ к успеху. Вдобавок установки такого масштаба отвечают возможностям частных инвестиций.

Для получения трития в качестве топлива Tokamak Energy планирует использовать бланкеты-бридеры, в которых нейтроны, образующиеся при слиянии дейтерия и трития, бомбардируют атомы лития в бланкете и превращают его в тритий. Тритиевое топливо безостановочно подается в плазму в процессе синтеза.

Своей главной инновацией команда считает магниты для генерации полей, сдерживающих плазму. Большинство моделей токамаков используют либо обычные супермагниты из специальных сплавов, либо электромагниты — с катушками низкотемпературных сверхпроводников. В Tokamak Energy взяли высокотемпературные сверхпроводники. Эти материалы легче охлаждать, но главное — они могут передавать ток большей силы, то есть генерируют более мощные магнитные поля. Кингхэм утверждает, что использование ВТСП в магнитах для ядерного синтеза станет коронным приемом Tokamak Energy.

По словам Росса Моргана, старшего коммерческого директора компании, магниты на основе ВТСП завоевывают признание в научном сообществе. К примеру, американская Commonwealth Fusion Systems, «дочка» Центра науки плазмы и синтеза Массачусетского технологического института, рассматривает ВТСП в качестве ключевой технологии термояда. Если она окажется успешной, потребуется много материала, но его поставщиков единицы, и это второй аргумент в пользу мини-токамаков.

СТАБИЛЬНОСТИ НЕТ

Термояд не зря считается вариантом выхода из грядущего энергетического кризиса: ядерный синтез способен выделять в 10 млн раз больше энергии, чем сжигание ископаемых, и не зависит от погоды, в отличие от некоторых возобновляемых источников.

Продукты термоядерного синтеза не радиоактивны, а отходы представляют незначительную опасность по сравнению с отходами АЭС. Но если деление ядер происходит естественным путем, к примеру в уране, который можно выкопать из земли, то запустить синтез намного сложнее, хоть он и является тем источником энергии, что питает миллиарды звезд.

Чтобы запустить процесс синтеза и преодолеть естественное отталкивание частиц, дейтерий и тритий (самая распространенная у исследователей термояда пара кандидатов на топливную смесь) необходимо нагреть до экстремально высокой температуры и либо сжать огромным давлением, либо сохранять в горячем состоянии продолжительное время. Такие условия существуют на Солнце и создаются искусственно в экспериментальных термоядерных установках, но вот поддерживать и контролировать среду крайне сложно. За десятилетия усилий по созданию ядерного синтеза потреблено намного больше энергии, чем произведено.

Главной моделью термоядерного устройства является токамак: кольцо горячей плазмы подвешено в пространстве и удерживается сильными электромагнитными полями — плазме нельзя соприкасаться с конструкционным материалом. Плазма быстро становится нестабильной, что нарушает интенсивную среду, необходимую для непрерывного синтеза. Иными словами, проблемой является не сам синтез, а его поддержание для получения энергии. Создать звезду легче, чем сохранить. Синтез ядер был продемонстрирован еще в 1947 году, с тех пор его коммерциализовали, коммерциализовали, да так до сих пор и не выкоммерциализовали.

Высокотемпературные сверхпроводники — лишь один из инженерных ходов разработчиков. Tokamak Energy возлагает большие надежды на нестандартную форму установки — сферу, в противовес тороидальной у крупных проектов, таких как ИТЭР и JET. Кингхэм отмечает, что у сферических токамаков есть значительные физические преимущества, но, чтобы их реализовать, нужны более сложные инженерные решения.

Крис Уоррик, менеджер по коммуникациям Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA), говорит: «Давно известно, что у токамаков сферической формы значительный потенциал. Они эффективнее тороидальных, так как им требуется магнитное поле меньшей силы для удержания плазмы». UKAEA с конца 1990-х годов разрабатывает небольшой сферический токамак MAST (Mega Amp Spherical Tokamak). По словам Уоррика, самая большая техническая трудность — это удаление тепла из реактора, потому что в компактном дизайне оно чрезвычайно сконцентрированно.

Гонка технологий

Tokamak Energy — один из небольших игроков термоядерной индустрии (см. «Частные стартапы»). Кристофер Маури, глава канадской General Fusion, говорит, что большие проекты не пытаются создать экономически выгодные и коммерчески жизнеспособные технологии синтеза. По словам Росса Моргана из Tokamak Energy, то, что стартапы делают небольшие устройства быстро — за три-четыре месяца, имеет решающее значение. Логично: разработчики быстро учатся и интегрируют опыт в следующее поколение устройств. «Полномасштабные проекты склонны к консерватизму, избегают рисков, — ​добавляет коллега Моргана Кингхэм. — ​Крупные игроки были крайне удивлены пять лет назад, когда мы начали выглядеть достаточно серьезно».

Если малые термоядерные реакторы станут реальностью, это изменит не только способ генерации, но и всю энергоинфраструктуру — производство электричества будет точечным, распределенным. Вполне можно представить города и предприятия, имеющие собственные токамаки. Термоядерный реактор можно включать и выключать мгновенно. «В атомном реакторе топлива минимум на 25 лет. В токамаке в любой момент времени топлива всего на несколько секунд. Это намного безопаснее», — ​комментирует Кингхэм.

Tokamak Energy надеется получить рабочее устройство, генерирующее электроэнергию в промышленных масштабах, к 2025 году. Коммерциализация — к 2030-му. Амбициозные заявки, но Кингхэм говорит: чтобы добиться прогресса, нужны смелые планы.

ЧАСТНЫЕ СТАРТАПЫ

• Lockheed Martin, США

Рабочий образец компактного термоядерного реактора намерены сделать в 2024 году. Назначение — обеспечение энергией авианосца, истребителя или небольшого города.

• Tri Alpha Energy, США

Компания нацелена создать первый коммерческий работающий термоядерный реактор к 2027 году. В отличие от мейнстрима, реакции дейтерия и трития, здесь топливо на смеси дейтерия и бора. Технология — плазменные вихри.

• Helion Energy, США

Еще одна альтернативная смесь — дейтерий и гелий‑3. И тоже плазменные вихри. По туманным заявлениям в СМИ, проверить концепцию на рабочей установке планируют в 2021 году.

• Lawrenceville Plasma Physics Fusion, США

Плазменный фокус — вариант достижения условий для термояда. Разработчики обещают реактор мощностью 5 МВт, который поместится в гараже и будет питать 5 тыс. домов. Прототип анонсируют в 2023 году.

• First Light Fusion, Великобритания

Добиться того, что реактор будет вырабатывать энергии больше, чем нужно для инициации синтеза, выходцы из Оксфордского университета хотят к 2024 году. Ключевой элемент установки — импульсная пушка, удар которой порождает высокотемпературную плазму.

• AGNI Energy, США

Реактор — пучок-мишень. На сайте компании установка охарактеризована прежде всего как разрушитель радиоактивных отходов. Датированных планов у стартапа нет.

• Commonwealth Fusion Systems, США

Уменьшенная версия классического токамака, создается в партнерстве с Массачусетским технологическим институтом. Строительство установки планируют начать в 2021 году и закончить в 2025-м.

• General Fusion, Канада

Сочетание основных подходов — магнитное удержание плазмы и инерционное сжатие топливной мишени. Запуск демонстрационной установки пока планируется в районе 2025 года.

Информация из открытых источников.