Жизнеспособный термоядерный реактор, который производит больше энергии, чем потребляет, может быть готов уже к 2025 году. Это — общий вывод из целых семи новых исследований, написанных 47 учеными из 12 учреждений, опубликованный 29 сентября в Journal of Plasma Physics. Если тестовый термоядерный реактор действительно достигнет этого рубежа эффективности, он может открыть путь для массового производства чистой энергии.
Проблема создания устойчивого термоядерного синтеза на Земле в том, что требуется огромное количество энергии, чтобы заставить атомы слиться вместе, к тому же происходит это при температуре не менее сотни миллионов градусов по Цельсию (увы, холодный термоядерный синтез до сих пор не открыт). Однако, разумеется, такие реакции могут генерировать гораздо больше энергии, чем им требуется — и Солнце тому прямое подтверждение.
Также немаловажный плюс термоядерного синтеза — полное отсутствие вредных отходов. Не производятся парниковые газы, не загрязняется атмосфера, не нужно утилизировать радиоактивное топливо, и даже при аварии ничего серьезнее выброса водорода в атмосферу, который и является топливом для термоядерного реактора, не будет. При этом термоядерный синтез может быть настолько эффективным, что текущих запасов водорода на Земле хватит, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии на миллионы лет вперед.
«Мы занялись этим исследованием, потому что мы пытаемся решить действительно серьезную глобальную проблему», — сказал автор одного из исследований Мартин Гринвальд, физик плазмы из Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых, разрабатывающих новый реактор. «Мы хотим оказать влияние на общество. Нам нужно решение проблемы глобального потепления — иначе цивилизация окажется в беде. Похоже, переход на термоядерную электроэнергетику может помочь исправить ситуацию».
В большинстве экспериментальных термоядерных реакторов используется советская конструкция в форме пончика, называемая токамаком. В такой установке используются мощные магнитные поля, чтобы удерживать облако плазмы или ионизированного газа при экстремальных температурах, достаточно высоких, чтобы атомы могли сливаться вместе. Новое экспериментальное устройство, получившее название реактор SPARC (Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact, Самый быстрый/маленький доступный надежный компактный реактор), финансируется из частных источников и разрабатывается учеными Массачусетского технологического института совместно с дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems.
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) обещают к 2025 г. изготовить термоядерный реактор, способный заменить традиционные газовые и атомные электростанции. Над своим термоядерным проектом также работает и Lockheed Martin Corporation (LMT, NYSE). В 2017 г. ученые из MIT создали частную компанию Commonwealth Fusion Systems, которая в настоящее время занимается разработкой термоядерного реактора. Компания привлекла крупное финансирование в $250 млн. Реактор под названием SPARC со сверхпроводящими магнитами на основе оксида иттрия-бария-меди планируется построить в 2025 г.
До сих пор ключевой проблемой термоядерной энергетики было то, что на поддержание «горения» плазмы в магнитом поле требовалось больше энергии, чем в итоге удавалось получать от реакции синтеза. Commonwealth считает, что SPARC будет производить примерно в 10 раз больше энергии, чем потреблять. Мощность первой электростанции оценивается в 270 мегаватт — этого достаточно для питания 100 тыс. домов.
Строительство проекта SPARC, запущенного в 2018 году, планируется начать в июне следующего года, а сам реактор может заработать в 2025 году. Это намного раньше, чем крупнейший в мире проект термоядерной энергетики, известный как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER): он был задуман в 1985 году, в 2007 году началось проектирование, и, хотя строительство стартовало в 2013 году, ожидается, что в 2035 г. планируется запуск Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) стоимостью $22 млрд, расположенного во Франции.
Одно из преимуществ SPARC перед ITER заключается в том, что магниты в SPARC будут лучше и точнее ограничивать плазму. В SPARC будут использоваться так называемые высокотемпературные сверхпроводящие магниты, которые стали коммерчески доступными только в последние три-пять лет — ощутимо позже, чем был спроектирован ИТЭР и началось его строительство. Эти новые магниты могут создавать гораздо более мощные магнитные поля — до 21 тесла (нет, не машина Маска, а единица измерения магнитного поля) у SPARC по сравнению с 12 тесла у ITER. Для сравнения, сила магнитного поля Земли колеблется от 30 до 60 миллионных долей тесла.
Использование таких мощных магнитов предполагает, что ядро SPARC окажется примерно в три раза меньше в диаметре и в 60-70 раз меньше по объему, чем сердце ITER, которое должно быть шириной около 6 метров. «Такое резкое уменьшение размеров сопровождается аналогичным уменьшением веса и стоимости», — сказал Гринвальд. «Это сильно меняет правила игры». И, если все получится, SPARC станет первым устройством на Земле, достигшем состояния «горящей плазмы», при котором тепло от всех термоядерных реакций поддерживает термоядерный синтез без необходимости добавления в систему дополнительной энергии. И как раз тот факт, что никому никогда не удавалось использовать силу горящей плазмы в контролируемой реакции здесь, на Земле, требует проведения дополнительных исследований, прежде чем SPARC сможет начать работать.
В случае успеха проекта SPARC, человечество совершит эпохальный шаг вперед. Термоядерный реактор использует в качестве топлива водород, который можно производить из природного газа или воды. Эффективность при этом рекордная: стакана воды будет достаточно, чтобы на всю жизнь обеспечить все потребности в энергии для одного человека. Появление SPARC означает конец «ископаемой» энергетике и быстрое сокращение мощностей атомной энергетики, которая и без того находится под давлением зеленой энергии.
Надо отметить, что Lockheed Martin с 2014 г. работает над собственным проектом термоядерного реактора. Однако проект Lockheed прежде всего нацелен на применение в космосе, где требуется надежный бесперебойный источник питания, работающий на доступном сырье — воде. Таким образом, проекты Lockheed и Commonwealth Fusion Systems нацелены на разные рынки. Lockheed упоминала о некотором успехе в создании термоядерного реактора, а у специалистов MIT пока нет крупных готовых прототипов. Таким образом, к середине столетия термоядерная энергетика может перейти в практическую фазу строительства серийных электростанций. Эту возможность необходимо учитывать при планировании долгосрочных инвестиций.
Инвесторы должны уметь распознавать новые направления которые могут принести как высокую прибыль от инвестиций, так и огромную пользу для человечества. Сектор энергетики начинает свой переход от ископаемых источников к чистой(зеленой) энергии.