Обзор немецких медиа
🗞(+)WirtschaftsWoche в статье «Ядерный синтез гораздо ближе, чем многие полагают» рассказывает, что бесконечная энергия за счёт ядерного синтеза - это мечта. Смогут ли немецкие инженеры её осуществить? Проверка в лучшем в мире стеллараторе. Уровень упоротости: отсутствует 🟢
Весной следующего года произойдёт любопытный момент: самое горячее и самое холодное место в Солнечной системе будут находиться всего в нескольких сантиметрах друг от друга - и это в Грайфсвальде, на улице Вендельштайнштрассе 1. Здесь, в исследовательском зале Института физики плазмы имени Макса Планка, физики разрабатывают одну из самых сложных машин в мире. Wendelstein 7-X, как его называют, может нагревать внутри себя газ до 30 млн. градусов Цельсия - и охлаждать сверхпроводящие магниты весом в несколько тонн вокруг него до —270°. Эта установка может помочь решить энергетические проблемы человечества.
Физик Томас Клингер в желтой каске подходит к перилам металлической лестницы, с которой открывается лучший вид на исследовательский комплекс. «Некоторые люди говорят, что это выглядит так, как будто Хан Соло приземлился здесь на своём «Тысячелетнем соколе», - говорит он, указывая рукой в глубину. Вот оно: металлическое кольцо шириной 16 м и высотой с двухэтажный дом: космический корабль из «Звёздных войн», так сказать, в мастерской, соединённый с бесчисленными кабелями, трубами, вентиляционными шлангами, которые гудят и шипят.
Руководитель группы Клингер не может полететь к звёздам на этом стальном колоссе. Но на Земле эта машина может помочь открыть новую энергетическую эру: человек покорил огонь, собирает солнечные лучи, расщепляет атомные ядра. «Теперь мы хотим покорить последний источник энергии, который человечество ещё не освоило», - говорит Клингер, - «а именно ядерный синтез». Атомы сливаются друг с другом, так Солнце выделяет огромное количество тепла - и это основная идея: вот уже более 70 лет исследователи хотят создать на Земле маленькие звёзды. Дерзкая затея. И настолько сложная, что некоторые насмехались над тем, что ядерный синтез - это не только энергия будущего, но и всегда будет оставаться таковой.
Но настроение меняется: в последнее время исследователи демонстрируют прорывы. В конце 2022 года в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора в Калифорнии в результате ядерного синтеза впервые было получено больше энергии, чем затрачено на её производство. Летом исследователи повторили этот успех. «Это огромная веха», - говорит Хайке Фройнд, директор по операциям немецкой компании Marvel Fusion, специализирующейся на лазерном синтезе: «Ядерный синтез гораздо ближе, чем многие считают».
Группа Клингера в Грайфсвальде также сделала большой шаг вперёд: в ходе испытаний, проведённых в феврале, установка Wendelstein 7-X стабильно работала в течение восьми минут. Хотя эта установка ещё не производит термоядерных реакций, она создает значительную часть необходимых для этого условий. Теперь Клингер планирует эксплуатировать её в течение получаса. «А если вы можете работать полчаса, то вы можете работать и месяц». По его словам, есть ещё вопросы, которые предстоит решить. «Но больше нет никаких препятствий. Ядерный синтез будет», - говорит Клингер, - «рано или поздно».
США, Германия - кому удастся построить первую термоядерную электростанцию? Исследователи или предприниматели? По последним данным Ассоциации термоядерной промышленности, более 40 начинающих термоядерных компаний привлекли $6,2 млрд от таких инвесторов, как Билл Гейтс и Джефф Безос.
Американская компания Helion даже подписала в мае контракт на поставку электроэнергии с Microsoft: она хочет обеспечить корпорацию электроэнергией, полученной с помощью термоядерного синтеза, уже через пять лет. Амбициозные сроки, связанные с огромными надеждами: «Ядерный синтез станет отличным и надёжным источником энергии», - говорит Франческо Сциортино, соучредитель мюнхенской компании Proxima Fusion, - «а компания, которая его осуществит, будет занимать центральное место в экономике».
А Германия? По оценкам консалтинговой компании Strategy&, Германия является одним из мировых лидеров в области академических термоядерных исследований. Кроме Marvel и Proxima, над технологией работают, например, Focused Energy в Дармштадте и Gauss Fusion в Ханау. Тем не менее, Германия рискует проиграть, предупреждают консультанты: «Более половины из девяти самых сильных в финансовом отношении термоядерных стартапов происходят из США и Канады, и только один хотя бы в пропорциональном отношении происходит из Германии». Германия также отстаёт от США по расходам на исследования - даже несмотря на то, что правительство Германии увеличило финансирование: €1 млрд выделен до 2028 года, а Федеральное агентство по скачкообразным инновациям выделяет ещё €90 млн.
Насколько масштабным станет ядерный синтез? Пока об этом могт сказать лишь звёзды. Одно можно сказать с уверенностью: без отличных исследований в сочетании с сильной промышленной экосистемой прорыва не будет. Так смогут ли немецкие инженеры и исследователи использовать свои сильные стороны?
При взгляде сверху исследовательский центр в Грайфсвальде напоминает скрытый ландшафт. «Мы проложили около 8000 кабелей», - говорит физик Клингер, - «и построили 500 отверстий, с помощью которых мы направляем зонды и эксперименты в реактор». На строительство объекта ушло 15 лет, 1,2 млн. человеко-часов. «Это был авантюрный путь», - говорит Клингер: «Во время строительства мы постоянно находились на границе технически возможного». Один из уроков: «Построить термоядерный реактор - это возможно только в промышленности, с опытными инженерами-конструкторами».
Это уже видно по ядру установки - плазменному корпусу, в котором происходит сильный нагрев газа. «Чтобы создать термоядерный газ, необходим вакуум», - говорит Клингер, - «квазикосмические условия». Камера шириной 13 м, изготовленная из нержавеющей стали, должна быть герметичной и в то же время сложной по форме. Чтобы собрать её с почти миллиметровой точностью, производитель MAN Energy Solutions из Деггендорфа применил новые технологии сварки и лазерные измерительные процессы. «Требования были причудливо высоки», - говорит Клингер. Плазма - это четвёртое состояние материи после твёрдого, жидкого и газообразного. В ней атомные ядра и электроны отделяются друг от друга, газ становится электропроводящим - и «воспламеняется» при температуре около 100 млн. градусов Цельсия, в семь раз горячее Солнца: атомные ядра устремляются друг к другу с такой скоростью, что уже не отталкиваются, а сливаются, причём в количестве, достаточном для длительной термоядерной реакции.
«Вот наш нагреватель», - говорит Клингер, указывая на трубы, ведущие в стальную конструкцию: они нагревают плазму микроволнами, генерируемыми в трубах высотой три метра. После завершения строительства аппараты французского конгломерата Thales будут выдавать 20 мегаватт мощности - в 20 000 раз больше, чем бытовая микроволновая печь. А вот нагрев газа пока остаётся самым простым делом.
Более сложная задача Wendelstein 7-X - поддержание стабильности плазмы. На Солнце огромная сила гравитации удерживает быстро движущиеся частицы вместе. На Земле плазма быстро соприкасается с холодной стенкой сосуда и задыхается, как пламя свечи между мокрыми пальцами. «Плазма весит один грамм, а стенка - тысячи тонн», - говорит Клингер. «Так что можно представить, кто победит».
Поэтому исследователи разработали бесконтактную клетку: магнитное поле. «Плазма электрически заряжена, и её можно формировать с помощью магнитного поля», - говорит Клингер. Запертая в магнитной клетке в вакууме, она остается горячей, как чай в термосе. Только незаряженные нейтроны вылетают к стенкам сосуда - и нагревают его. Там трубы длиной семь километров отводят тепло с помощью охлаждающей жидкости. Они змеятся вдоль плазменного сосуда, как стальные спагетти, также окружённые высоким вакуумом. «Мы потратили три года на прокладку труб», - говорит Клингер: «Водопровод космического уровня». Производитель Dockweiler из Нойштадт-Глеве разработал новые методы измерения и изгиба труб.
«По сути, мы создаём тепловую электростанцию», - говорит Клингер. Горячий пар также будет приводить в движение турбину на будущей электростанции, «только топливо будет другим»: дейтерий и тритий - разновидности водорода, обладающие огромным потенциалом: «Угольная электростанция мощностью в гигаватт ежедневно потребляет десять миллионов килограммов топлива», - говорит физик Клингер, - «а для термоядерного реактора нужен всего один килограмм. Всего одна горсть».
Для этого магнитное поле должно удерживать быстро движущиеся частицы в плазме. Оно должно иметь форму пончика и особым образом закручиваться внутрь себя. «Как на гоночной трассе», - говорит Клингер. «Кроме того, нужно установить её так, чтобы машины не вылетали с трассы». Для этого большинство исследователей термоядерного синтеза создают поток тока в плазме - токамак - так называется принцип конструкции. Недостатки: реактор необходимо регулярно останавливать; существует опасность разрыва тока в плазме, который повреждает стенки корпуса. «С нами такого произойти не может», - говорит Клингер. Его команда обходится без тока в плазме, а вместо этого накручивает сами магниты: 50 катушек из ниобий-титана высотой три метра и весом шесть тонн протянуты вокруг плазменного корпуса. На фотографиях видно, что устройства имеют причудливую форму, как на картине М.К. Эшера.
Stellarator - так называется этот тип термоядерного реактора. «Многие критики считали: идея блестящая, но никто не сможет это построить», - вспоминает Клингер. «Стелларатор был признан неудачным проектом». Но исследователи Макса Планка продолжали работать. Используя одни из самых быстрых компьютеров в мире, они рассчитали, какой формы должны быть плазма и магнитное поле, чтобы термоядерный газ оставался горячим и стабильным. «За этим стояли «соборы кодов», - говорит Клингер, - «сотни тысяч строк». Моделирование на суперкомпьютере занимает три месяца. «Вся интеллектуальная мощь заключается в форме магнитов», - говорит Клингер.
Вюрцбургский производитель Bilfinger Noell, например, разработал технологию намотки причудливых магнитных катушек. «Токамак проще построить», - говорит Клингер, - «стелларатор проще эксплуатировать». Включил магниты - ядерный синтез запущен, вот и вся цель.
Плазменный стресс-фактор - каждый раз сложный эксперимент. Клингер выходит из зала и открывает металлическую дверь, она ведёт в комнату управления: целый офисный этаж, десятки столов, более 100 экранов. В эти дни диспетчерская пуста, а весной следующего года она будет заполнена техниками и учёными. «Как на торговой площадке фондовой биржи», - говорит Клингер, - «в лицах смесь блаженства, паники, напряжения и усталости».
Среди гостей часто бывают Сциортино и его коллеги из Proxima Fusion. «Сегодня у нас есть вычислительные мощности, чтобы создать работающий термоядерный реактор», - говорит основатель компании. К 2031 году он хочет производить больше энергии, чем потребляет его собственная установка. «Затем в 2030-х годах мы планируем получить нашу первую термоядерную электростанцию». Местная экосистема сильна как нигде: «Германия - мировой лидер в разработке стеллараторов». Однако с финансированием в Европе сложнее. Первый термоядерный реактор обойдётся в $3 млрд, а «когда стартапы хотят выйти за пределы €100 млн финансирования, приходится «пройти путь через долину смерти».
Генеральный директор Marvel Fusion Хайке Фройнд также знает об этой проблеме. Возможно, именно поэтому её компания только что начала 150-миллионное сотрудничество с Университетом штата Колорадо (США). Для Marvel Fusion этот проект - «безумное ускорение на пути к коммерческой электростанции», - говорит Фройнд. К 2026 году партнёры хотят разработать мощный лазер, отвечающий целям стартапа. Marvel Fusion опирается на технологию, которая также стала прорывом в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса: инерционный термоядерный синтез. В этом процессе исследователи направляют высокоэнергетические лазерные лучи на топливные сферы (мишени) миллиметрового размера.
Сложны не только лазеры, но и мишени. До сих пор такая сфера обходилась в $100 тыс. Сегодня исследователи имплозируют по одной сфере за эксперимент. Компания Marvel Fusion, разработавшая топливные сферы со специальной наноструктурой, хочет снизить затраты: «Мы хотим разработать методы производства, с помощью которых мы сможем выпускать сотни тысяч топливных сфер в день», - говорит Фройнд.
Штаб-квартира компании останется в Мюнхене. «Я очень оптимистично смотрю на промышленную экосистему в Европе», - говорит Фройнд. По его словам, основатели компании пообщались со многими средними компаниями и нашли множество технических решений для ядерного синтеза. «В начале 2030-х годов мы введем в эксплуатацию прототип, а в середине 2030-х - первые коммерческие электростанции», - объявляет она. По её словам, ядерный синтез - это недостающая часть головоломки в энергобалансе будущего. «На площади футбольного поля мы могли бы генерировать энергию для целого сталелитейного завода». Целью является стоимость от пяти до десяти центов за киловатт-час.
Таким образом, ядерный синтез не будет дешевле солнечных электростанций. Но он потребует меньше места и не будет требовать хранения энергии. Критики, такие как Клаудиа Кемферт, эксперт по энергетике из Немецкого института экономических исследований, не убеждены: ядерный синтез слишком запоздал для энергетического перехода в ближайшие десять-двадцать лет. «Мы не говорим, что ядерный синтез - это решение на ближайшие пять лет», - возражает основатель компании Sciortino, - «мы говорим, что это ультимативное решение». Опреснение воды, извлечение CO2 из воздуха, производство синтетического топлива - поклонники ядерного синтеза видят большой спрос на большие объёмы энергии.
«Десять лет планирования, десять лет строительства» - таковы реальные сроки создания первого термоядерного реактора, по мнению вендельштейновского исследователя Клингера. Сам же он сосредоточен на следующих экспериментальных кампаниях и расширении Wendelstein 7-X. «Мы хотим добиться значительного прогресса в ближайшие три-пять лет». Установка призвана показать, что плазму можно поддерживать стабильной и горячей в клетке. В центре ядерных исследований Кадараш на юге Франции коллеги строят исследовательский реактор токамак Iter, который, как ожидается, впервые в 2035 году будет производить больше энергии, чем потреблять. Китайцы также ведут исследования в области ядерного синтеза. Сциортино и Фройнд хотят быть быстрее. Солнце восходит на востоке — первая искусственная звезда, возможно, на западе.
Автор: Андреас Менн. Перевёл: «Мекленбургский Петербуржец».
@Mecklenburger_Petersburger
P. S. от «Мекленбургского Петербуржца»: разве «зелёные» дадут? Так-то идея отличная. Что особо примечательно, университет Грайфсвальда находится в бывшей ГДР. Реально центр науки уже не хуже Гёттингена, по крайней мере, в области медицины и ядерной физики.