В восточном городе Шанхай экспериментальная китайская термоядерная электростанция, получившая название “HH70”, только что объявила о том, что установила мировой рекорд.
В середине июня машина, заявленная как первый в мире токамак с полностью высокотемпературной сверхпроводимостью (HTS), успешно получила свою первую плазму. В мире ядерного синтеза это непростой подвиг. И в мире, стремящемся найти чистую, дешевую и безграничную энергию, это отличная новость. В конце концов, есть причина, по которой ядерный синтез известен как “святой грааль” чистой энергии.
Это достижение во многом подкреплено процветающей производственной цепочкой Китая и инженерной мощью. Ленты HTS, используемые в магнитной системе HH70, поставляются Shanghai Superconductor, отечественной компанией, которая стала крупным мировым поставщиком с момента своего основания в 2011 году.
Несмотря на то, что достижение HH70 не приведет к немедленному успешному коммерческому производству энергии термоядерного синтеза, индустрия вокруг него уже готовится к следующей гонке экологически чистой энергии.
Но разработчик технологии и победитель гонки не обязательно идут рука об руку. В 2008 году Tesla представила первый в мире электромобиль в США. Тем не менее, сейчас Китай явно доминирует в индустрии электромобилей.
Ясмин Эндрю, исследователь кафедры физики Имперского колледжа Лондона, сказала, что в настоящее время несколько частных компаний по всему миру работают над разработкой технологии HTS для термоядерного синтеза, но HH70 был первым токамаком, в котором была получена плазма.
Хотя технология термоядерного синтеза все еще находится в зачаточном состоянии, стремление генерировать безуглеродную энергию, подобную солнечной, постепенно становится все более инженерной задачей.
Деннис Уайт, бывший директор Центра исследований плазмы и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (MIT), рассказал The Post, что по мере развития термоядерных технологий цепочка поставок и развитие технологий приобретают решающее значение.
“Это больше не изучается только ради науки, но движется к внедрению в качестве нового источника энергии”, - сказал он.
Эндрю Холланд, генеральный директор Ассоциации термоядерной промышленности (FIA), некоммерческой организации, базирующейся в Вашингтоне, сказал Reuters в интервью в марте, что есть опасения, что термоядерный синтез последует примеру солнечной промышленности, где большая часть технологий была изобретена в США, но в производстве доминировал Китай.
“Совершенно очевидно, что у Китая есть амбиции сделать то же самое, как в цепочке поставок, так и в разработчиках”, - сказал он. “Пришло время США ответить на этот вызов”.
Это не голословное предупреждение. В таких секторах, как фотовольтаика и электромобили, хотя технология возникла не в китайских лабораториях, благодаря своим мощным производственным мощностям китайские компании последовательно повышают конкурентоспособность своей продукции по сравнению с западными конкурентами.
Основатель китайского стартапа по термоядерному синтезу поддержал возможность, озвученную Голландией.
Он согласился, что это “очень вероятно”, и сказал, что Китай действительно впереди планеты всей, когда дело доходит до интеграции технологических разработок в реальные приложения.
Ядерный синтез рассматривается как окончательное решение мировых энергетических потребностей. В то время как ядерное деление расщепляет атомы, такие как уран, для выработки энергии (процесс, который в настоящее время используется на атомных электростанциях по всему миру), ядерный синтез объединяет атомы для высвобождения большого количества энергии без образования долговременных радиоактивных отходов.
Это тот же процесс, который поддерживал горение солнца на протяжении последних 5 миллиардов лет – вот почему термоядерный синтез часто называют “искусственным солнцем”.
Но для достижения ядерного синтеза атомы водорода должны быть нагреты до чрезвычайно высоких температур – более 100 миллионов градусов по Цельсию (180 миллионов градусов по Фаренгейту) - и удерживаться достаточно долго, чтобы они превратились в более тяжелые атомы.
Когда-то считавшаяся областью научной фантастики, в последние годы частные компании и исследовательские организации по всему миру стремятся воплотить ядерный синтез в реальность.
Большинство усилий было сосредоточено на технологии “магнитного удержания”, которая нагревает и сжимает плазму, горячий заряженный газ, в гигантском реакторе в форме пончика, называемом токамак, изобретенном советскими физиками в 1950-х годах.
Технически HH70 не является первым или самым мощным в своем роде. Еще в 2013 году Tokamak Energy, компания, созданная в 2009 году как дочернее предприятие Управления по атомной энергии Великобритании, сообщила о подобном устройстве, изготовленном из высокотемпературных сверхпроводников.
А магнитное поле HH70, ключевой показатель термоядерного устройства, составляет 0,6 тесла, что намного меньше, чем у конкурента, недавно созданного командой из Массачусетского технологического института, мощность которого превысила 20 тесла.
Но Эндрю из Имперского колледжа Лондона назвал это достижение "значительным шагом в данной области”, поскольку оно обеспечивает важное доказательство принципа для будущих конструкций токамаков.
“Применение HTS для токамаков является активной областью глобальных исследований, поэтому этот результат является важной вехой в ответе на вопрос о целесообразности его использования”, - сказала она.
Технология термоядерного синтеза с магнитным удержанием использует сверхпроводящие магниты для создания сильных полей. По словам Эндрю, по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками HTS обладает потенциалом доступа к более сильным магнитным полям, что приводит к созданию машин меньшего размера, которые дешевле и быстрее в изготовлении.
До сих пор в таких проектах, как Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР) – мегапроект во Франции, в рамках которого 35 стран совместно работают над созданием крупнейшего в мире токамака, - использовались низкотемпературные сверхпроводники. Однако для охлаждения магнитов требуется громоздкая система – по астрономической цене.
Однако за последнее десятилетие материалы HTS начали выходить из лабораторий и попадать в руки конечных потребителей в неизменном качестве и количестве, что совпадает с активной тенденцией создания частных термоядерных компаний в последние годы.
“Китай является ключевым игроком на этом развивающемся рынке”, - сказал Эндрю, добавив, что компании в ЕС, США и Китае в настоящее время лидируют в индустрии высокотемпературных сверхпроводников.
В 1980-х годах было обнаружено, что класс материалов HTS под названием REBCO (редкоземельный оксид меди бария) способен пропускать очень высокие плотности тока при температурах до 20 Кельвинов, но поскольку они хрупкие, исследователям потребовалось почти три десятилетия, чтобы изготовить из них провода.
В 2011 году лаборатория Шанхайского университета Цзяо Тун стала первой в Китае, изготовившей проволоку длиной 100 метров (328 футов) из этого материала. В том же году был создан Шанхайский сверхпроводник, который проложил путь для воплощения этого научного прорыва в коммерческое применение.
Согласно веб-сайту компании, в настоящее время это один из шести международных производителей, которые могут массово производить HTS-ленты протяженностью более 100 км (62 мили) в год, и ее продукция продается крупным разработчикам термоядерной энергетики как в Китае, так и за рубежом.
В 2021 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) – американский стартап, выделившийся из Массачусетского технологического института и основанный в Кембридже в 2018 году, - успешно разработала первый в мире магнит, который можно использовать для ядерного синтеза с магнитным полем 20 тесла.
Его магнит изготовлен из высокотемпературного сверхпроводящего материала, и Shanghai Superconductor была одним из трех поставщиков магнитных лент, стоявших за этим достижением.
“Китай преуспел в создании основ для поставок термоядерных технологий в целом с такими компаниями, как Shanghai Superconductor”, - сказал Уайт из Массачусетского технологического института, хотя он также отметил сильную конкуренцию со стороны компаний в США, Японии и Южной Корее.
Все более развитая промышленная цепочка ускоряет усилия по коммерческому использованию термоядерной энергии в Китае.
В октябре 2021 года в провинции Шэньси на северо-западе Китая была основана компания Startorus Fusion. Основатель Чэнь Руи подчеркнул, что рост числа добывающих поставщиков сделал технологию термоядерного синтеза более коммерчески доступной.
“Появление новых материалов, таких как HTS, позволяет нам за два-три года разработать относительно компактное устройство, чтобы доказать осуществимость ядерного синтеза при гораздо более низких затратах, например, менее 1 миллиарда юаней [137 миллионов долларов США]”.
Компания Energy Singularity, основанная в том же году, что и Startorus Fusion, заявляет, что использует “недавние прорывы и сильную синергию между HTS-магнитами, передовой физикой токамаков и технологиями искусственного интеллекта” для развития термоядерной энергетики.
Это происходит не только в Китае. По данным FIA, с 2018 года в эту отрасль были вложены огромные инвестиции, и число компаний, занимающихся термоядерным синтезом, выросло как гриб, особенно с 2020 года.
Ядерный синтез, энергетическая технология, которую дипломат описал в июньской статье как “следующий рубеж как в изменении климата, так и в конкуренции великих держав”, привлекает крупные страны к повышению ставок - от финансовых инвестиций до политической поддержки.
В сентябре Лу Тьежун, председатель China National Nuclear Power, заявил, что первая электроэнергия, произведенная с помощью управляемого ядерного синтеза, “должна поступать из нашей страны, и мы работаем над достижением этой цели”.
В декабре Пекин объявил о создании новой государственной компании China Fusion Energy с задачей объединения ресурсов со всей страны для запуска термоядерного реактора.
Китай намерен построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и внедрить технологию в крупномасштабное коммерческое использование к 2050 году.
Тем временем в декабре девять организаций заключили контракты на общую сумму 11,6 млн фунтов стерлингов (12,7 млн долларов США) с Управлением по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) на разработку инновационных технологий термоядерной энергетики.
А на Конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата 2023 года (Cop28) бывший посланник США по климату Джон Керри представил международную партнерскую инициативу по термоядерному синтезу с участием 35 стран-партнеров. Затем, в марте, законопроект о финансировании, подписанный президентом США Джо Байденом, предусматривал выделение 790 миллионов долларов на научные программы по термоядерному синтезу на 2024 год.
Несмотря на усилия других стран, по словам Чена из Startorus Fusion, Китай имеет преимущество в инженерном внедрении технологии ядерного синтеза.
Он сказал, что целостность цепочки поставок, опыт крупномасштабного производства, многочисленная рабочая сила и политика поддерживают все это в интересах Китая.
Что касается цепочки поставок, то, например, благодаря большому внутреннему рынку и производственной базе Китай добился значительного прогресса в производстве высокотемпературных сверхпроводящих материалов, и поставщики могут еще больше снизить цены и повысить производительность, что имеет решающее значение для магнитной системы в устройствах tokamak.
В то же время, за более чем два десятилетия участия в проекте ITER во Франции Китай подготовил большой кадровый резерв выдающихся инженеров по термоядерному синтезу.
Несмотря на эти благоприятные условия, Чэнь подчеркнул, что это не означает, что Китай будет доминировать в мировой термоядерной промышленности.
“Международное сотрудничество, технологические инновации и стратегии устойчивого развития станут ключевыми факторами, определяющими будущий ландшафт термоядерной промышленности”, - сказал Чэнь.
