Несколько лет назад заголовки мировых СМИ пестрели восторженными прогнозами о прорыве в термоядерной энергетике. Эксперименты в Ливерморской национальной лаборатории вызвали эйфорию у западных политиков.
- «Энергия звёзд уже близко!» – восклицали они.
Или о постоянных прорывах в термоядерной энергетике от китайских или американских учёных, которые преподносятся в СМИ как большой шаг на пути к созданию термоядерной энергетики:
Однако реальность оказалась куда прозаичнее: совокупно всеми странами мира потрачено около триллиона долларов на исследования управляемого термоядерного синтеза, а до промышленного термояда всё так же далеко, как до Альфы Центавра.
Фраза, уже ставшая мемом среди не только энергетиков, но и журналистов, отчасти поддерживает этот тезис: «До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет».
История термоядерных «иллюзий» началась ещё в 1950-х. Тогда советские физики предложили концепцию ТОКАМАКа — установки для управляемого термоядерного синтеза.
- Более подробно можно почитать об этом в моей подборке про термоядерную энергетику:
СССР оказался впереди планеты всей в области термоядерных технологий. Прогресс был настолько стремителен, что, казалось, до строительства первой термоядерной электростанции оставались считанные годы. Однако, чем глубже развивалось направление управляемого термоядерного синтеза, тем больше фундаментальных проблем вставало перед учёными: удержание плазмы, материалы для реактора, положительный энергобаланс.
Есть мнение, что термоядерная энергетика не развивается так, как нам бы хотелось, из-за малого финансирования этой области. Однако это в корне не так. За 70 лет только в строительство экспериментальных термоядерных установок было вложено более 150 млрд долларов. Ещё столько же ушло на их работу, исследование и поддержание в работоспособном состоянии и модернизацию. А если мы учтём инфляцию за все эти годы исследований термоядерного синтеза, то получим сумму затрат в более чем 800 миллиардов долларов. Но где результат? Ни одного киловатта в сеть...
Назовите хотя бы одну отрасль человеческой деятельности, куда были вложены и продолжают вкладываться столь значительные средства, а желаемого результата нет вот уже 70 лет.
Для примера:
- Строительство Большого Адронного Коллайдера (БАК) стоило 8 млрд долларов с учётом инфляции на апрель 2025 года. Результат — открытие бозона Хиггса, последней гипотетической частицы Стандартной модели.
- Манхэттенский проект — 37 миллиардов долларов с учётом инфляции на сегодня. Результат — создание ядерного оружия.
- Капитальные вложения в объекты ядерного оружейного комплекса СССР в период 1945–1952 годов составили около 60 миллиардов долларов с учётом инфляции. Результат: создание атомной промышленности СССР полного цикла.
В Международную Космическую Станцию (МКС) вложено порядка 160 млрд долларов с учётом инфляции, регулярных экспедиций и обслуживания.
В попытках хоть как-то приблизиться к заветному термояду было принято решение об объединении знаний всего человечества и общими усилиями самых продвинутых в термоядерных исследованиях стран получить уже наконец-то этот термояд.
Стоимость проекта ITER (проект международного экспериментального термоядерного реактора типа ТОКАМАК) уже подошла к 30 млрд долларов, а запуск реактора снова ушёл вправо — на 2033+ год.
Тут писал подробнее:
Что мы имеем в итоге?
- КПД существующих термоядерных установок: сугубо отрицательный;
- Стоимость строительства современной АЭС: 10 млрд долларов;
- Срок окупаемости АЭС: 15–20 лет;
- КПД атомных реакторов: 33–37%.
«Мы создадим термоядерную энергетику к 2050 году!» – заявляет глава ITER Бернар Биго. Ирония в том, что к этому времени мир может быть полностью обеспечен энергией традиционных АЭС нового поколения.
Китай уже строит 150 новых атомных блоков. Россия разворачивает программу замыкания ядерного топливного цикла. Даже Великобритания, увлечённая термоядерными мечтами, вынуждена возвращаться к проверенным технологиям АЭС.
Многие учёные уже реально разочаровываются в термоядерных фантазиях, которые, кстати, отвлекают их от реальных решений энергетических проблем человечества.
Но не будем голословными. Давайте представим, что все проблемы термоядерной энергетики были решены и уже вот прям сейчас начато строительство первой термоядерной электростанции, основанной на тех технологиях, которыми человечество располагает сегодня.
Как думаете, будет ли нам выгоден этот условно "бесконечный" источник чистой энергии?
А вот как бы не так!
Экономический абсурд термоядерных амбиций становится особенно очевидным при детальном анализе текущих проектов. Возьмём, например, американский проект NIF (National Ignition Facility), в ходе реализации которого в 2022 году условно достигли положительного выхода энергии.
Почему условно? Потому что для получения 3,15 мегаджоулей термоядерной энергии на мишени использовали 2,05 мегаджоуля лазерного излучения. Выглядит впечатляюще, правда? Но не стоит забывать, что для создания этого импульса потребовалось 400 мегаджоулей энергии из сети!
Более подробно я писал об этом тут:
А теперь сравним анализ затрат на 1 кВт установленной мощности:
- Современная АЭС: 3000 долларов
- Термоядерный реактор (прогноз): 25000–30000 долларов
- Малые модульные реакторы: 3500–4000 долларов
При этом малые модульные реакторы существуют в железе только у России:
- «Академик Ломоносов» уже работает в Певеке
- 7 новых плавучих атомных теплоэлектростанций уже в портфеле заказов, 2 из которых сегодня строятся (проект 20870).
15 стран уже ведут переговоры с Россией о строительстве малых модульных АЭС на базе реакторов РИТМ-200М.
Отдельного внимания заслуживает вопрос безопасности. Частенько можно услышать, что «термоядерный реактор – это безопасно, а традиционный атомный реактор – это просто бомба замедленного действия».
Статистика аварий за последние 60 лет, проведённая в рамках анализа перспектив атомной энергетики и включения её в таксономию Европейского Союза, показала, что серьёзных инцидентов на АЭС было всего 3. Прямые жертвы этих инцидентов — менее 100 человек. Общее количество погибших за всё время развития атомной энергетики (как от прямого воздействия, так и от последствий радиоактивного облучения) — около 60 000 человек. Территории, выведенные из оборота: менее 5000 км².
Для сравнения, по тому же докладу Объединённого Европейского Исследовательского Центра (JRC), только угольная энергетика ежегодно уносит более 800 000 жизней из-за загрязнения воздуха.
«Зелёные активисты почему-то молчат об этом», – замечает бывший активист, один из первых членов и бывший президент Greenpeace Патрик Мур.
Энергетика должна существовать в разумном балансе технологий. Термоядерные исследования не должны противопоставляться традиционной атомной энергетике. Каждое направление имеет свою нишу и перспективы.
То есть развитие термоядерных технологий никак не должно влиять на отказ от развития и совершенствования ядерной энергетики.
Тем не менее, термоядерный синтез — это, как показало время, не блеф. Это сложнейшая научно-техническая задача, которую человечество обязательно решит. Вопрос только в том, какой ценой и когда.
«Главное — не повторить ошибку 'зеленой революции', когда погоня за недостижимым привела к энергетическому кризису», — предупреждают эксперты по энергетической безопасности.
На этом можно было бы закончить, но как же без хардкора. Вы ведь на моём канале! Так что впереди мозговыносящие данные, которые полностью развеют миф об эффективности термоядерной энергетики в ближайшее время, и это при самом оптимистичном прогнозе её развития.
Итак, погнали!
Рассмотрим радиационную среду и стойкость материалов АЭС и термоядерных реакторов (значения возьмём из экспериментальных научных данных и исследований). Я уже много писал по поводу характеристик и расчётов термоядерной энергетики, так что детально останавливаться в этом материале я на них не буду.
Тем не менее:
Тут поясню:
- Показатель "dpa/год" - эта мера физического повреждения кристаллической решётки материала под действием нейтронного облучения. Когда высокоэнергетический нейтрон попадает в атом кристаллической решётки, он может выбить его из узла. Этот выбитый атом, в свою очередь, может выбить другие атомы, создавая каскад смещений. Так происходит охрупчивание материала. Значение 1 dpa означает, что в среднем каждый атом был выбит из своего узла кристаллической решётки один раз.
Чем выше значение "dpa/год", тем быстрее материал деградирует физически (распухает, становится хрупким, теряет прочность).
Сравнение 1–5 dpa/год (АЭС) и 10–20 dpa/год (термояд) показывает гораздо более интенсивное физическое повреждение материалов в термоядерном реакторе. Что немудрено, так как средняя энергия нейтрона там в 30 раз выше, чем энергия нейтронов у быстрых реакторов.
- Показатель "appm He / dpa" - атомных частей на миллион Гелия на dpa. Это единица концентрации, показывающая, сколько атомов данного элемента (в данном случае Гелия) приходится на миллион атомов основного материала. Эта величина характеризует относительную эффективность производства гелия по сравнению с созданием физических дефектов (смещений) для данного спектра нейтронов и материала. Высокоэнергетичные нейтроны (как 14,1 МэВ в D-T термояде) гораздо чаще вызывают реакции (n, α), чем нейтроны в реакторах деления.
Гелий практически нерастворим в металлах. Накапливаясь, он образует пузырьки, что приводит к сильному распуханию и охрупчиванию материала, особенно при высоких температурах. Значение 8-15 appm He/dpa в термояде против 0,1-0,4 в АЭС – это ключевая проблема термоядерного материаловедения, так как гелий резко сокращает срок службы материалов.
- Показатель "appm H/dpa" (атомных частей на миллион водорода на dpa): аналогично гелию, водород образуется в конструкционных материалах через ядерные реакции трансмутации, в первую очередь - реакции типа (n, p), где поглощение нейтрона (n) приводит к испусканию протона (p), который является ядром водорода (протия). Он показывает, сколько атомов водорода (в appm) образуется на каждую единицу накопленного физического повреждения (dpa). То есть это показатель относительной эффективности производства водорода по сравнению с физическими повреждениями. Опять же, высокоэнергетические нейтроны термояда более эффективно вызывают реакции (n, p).
А как известно тем, кто читал мои материалы про водородную энергетику, водород вызывает так называемое водородное охрупчивание металлов, снижая их пластичность и стойкость к трещинам. Хотя эффект обычно менее критичен, чем от гелия, высокие концентрации водорода (40–60 appm H/dpa в термояде против 1–5 в АЭС) являются серьёзной проблемой для долговечности материалов.
Как видно из таблицы, высокие значения всех трёх параметров для термоядерных реакторов указывают на гораздо более суровые условия работы материалов по сравнению с реакторами деления.
Так, несмотря на самые передовые на сегодня сплавы, разработанные для работы при высоких энергиях нейтронного облучения, они даже близко не показывают таких характеристик износостойкости, которые позволят термоядерным электростанциям работать без замены дивертора весь свой срок.
И сразу рассмотрим срок службы ключевых компонентов реакторов:
Как видим из сравнительной таблицы, корпус реактора современной АЭС рассчитан на 60–80 лет, в то время как первая стенка термоядерного реактора потребует замены каждые 3–5 лет, а пластины дивертора — каждые 0,5–2 года. Бланкет также имеет ограниченный ресурс в 5–7 лет.
Причина тривиальна — это прямое следствие гораздо более жёстких условий эксплуатации в термоядерном реакторе.
То есть компоненты «сердца» термоядерного реактора становятся, по сути, расходными материалами с запланированной многократной заменой (десятки раз для дивертора) в течение жизненного цикла станции.
Замена высокоактивных внутренних компонентов потребует сложнейших роботизированных систем, длительных остановок реактора, что негативно скажется на коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) и эксплуатационных расходах. Стоимость и частота этих замен вносит значительный вклад в общую стоимость жизненного цикла термоядерной энергии (пункт «Замена бланкета/дивертора»).
Поэтому при современной технической базе всего человечества деградация материалов и связанная с ней необходимость частой замены ключевых компонентов термоядерного реактора является одной из ключевых инженерно-экономических проблем на пути создания рентабельных термоядерных электростанций.
- То есть даже если сегодня создать и запустить термоядерную электростанцию, которая будет выдавать в сеть гигаватты мощности, она будет абсолютно нерентабельной.
Но выход, как говорится, есть. Снова российские учёные приходят на помощь мировой науке:
Теперь сравним энергоэкономические показатели. И тут тоже всё идёт в пользу АЭС:
Согласно текущим оценкам, термоядерная энергетика будет иметь значительно более высокую приведённую стоимость электроэнергии (LCOE), чем современные АЭС, даже в отдаленной перспективе.
Термоядерная энергетика получается значительно дороже даже на бумаге, особенно на начальном этапе: LCOE для первых коммерческих/демонстрационных термоядерных реакторов (FOAK-DEMO) прогнозируется на уровне ~458 долларов/МВт·ч, что в 6–8 раз выше, чем у современных АЭС.
Это делает термояд абсолютно экономически неконкурентоспособным, особенно на первых этапах.
Удельные капитальные затраты (CAPEX) для FOAK-DEMO оцениваются в колоссальные 22 000 долларов/кВт, что почти на порядок выше, чем у АЭС (3000–4200 долларов/кВт).
Даже в самых оптимистичных целевых сценариях термояда, где все 100% того, что сегодня только разрабатывается, было улучшено и внедрено, удельные капитальные затраты всё равно остаются высокими (7000 долларов/кВт и 5900 долларов/кВт соответственно), превышая показатели современных крупных АЭС.
Поэтому наравне с научными вызовами перед термоядерной энергетикой стоят колоссальные экономические вызовы. Хотя я прогнозирую значительное снижение её стоимости по мере технологического созревания, достижение экономической конкурентоспособности даже по сравнению с традиционными АЭС до конца 21 века невозможно.
Если термоядерные установки всё же появятся, они будут экономически невыгодными и смогут существовать только при значительной поддержке и субсидиях.
Ну и не менее важное — это показатели EROEI, согласно которым термояд вообще не конкурент АЭС, но всё же находится на уровне с углеводородной энергетикой, поэтому теоретически термояд может заменить нам уголь, газ и нефть как источники первичной энергии.
При этом важно учитывать, что атомная энергетика тоже не стоит на месте и совершенствуется.
Технологические перспективы АЭС таковы:
В мире 2025-2040 году произойдёт полный переход на реакторы поколения 3+ (70-75 ГВт∙сут/т по выгоранию) и дальнейшее совершенствование по мере роста доли технологии замкнутого ядерного цикла.
- Расход обогащённого урана-235 тоже значительно снизится, как и удельные капитальные затраты, а среднее выгорание топлива возрастёт почти в 2 раза.
В 2040-2060 годы будут коммерциализироваться быстрые натриевые и свинцово-висмутовые реакторы, где выгорание топлива составит 100-120 ГВт·сут/т; начальный коэффициент воспроизводства плутония 1,0-1,2.
Воспроизводство плутония позволяет получать новое ядерное топливо в соотношении 1:1,2. То есть при выгорании 1000 грамм урана-235 будет образовываться 1200 грамм плутония-239, который отлично подходит для ядерного топлива современных и перспективных АЭС.
В 2060–2100 годах будет происходить массовое внедрение двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым топливным циклом, который будет использовать совокупные суммарные ресурсы урана и тория, делая топливо для атомной энергетики второй половины 21 века практически «вечным».
А теперь прогноз эволюции термоядерной энергетики до 2100 года (как всегда, при ультра-оптимистичном сценарии):
Почему позитивный сценарий, а не какой-нибудь реалистичный? Потому что только при позитивном сценарии термоядерная энергетика может хоть на что-то претендовать, и то - лишь к концу 21 века.
Даже сегодня термоядерная энергетика рассматривается как технология второй половины 21 века. Демонстрационные и первые коммерческие реакторы (FOAK) ожидаются не ранее 2040-х годов, ранняя серийность — к 2060-м, а по-настоящему массовое развёртывание и зрелость технологии — только к концу века (2080–2100).
Экономическая жизнеспособность термояда полностью зависит от радикального снижения затрат на протяжении десятилетий:
Падение удельных капитальных затрат (CAPEX) должно уменьшиться четырёхкратно (с 25 000 долларов/кВт для первых установок до ~6000 долларов/кВт к 2100 г).
Как этого достигнуть — вопрос риторический. А что вы хотите — сценарий-то ультра-оптимистичный.
Падение приведённой стоимости энергии (LCOE) должно быть почти на порядок (с >600 долларов/МВт·ч до ~70 долларов/МВт·ч).
- Без такого снижения технология останется неконкурентоспособной, хоть ты тресни...
Увеличение срока службы внутренних компонентов (дивертор, первая стенка) с 1–2 лет до 8–10 лет является критически важным для повышения КИУМ и снижения затрат на жизненный цикл термоядерной электростанции.
Сказать, что это требует прорыва в технологии создания радиационно-стойких материалов, — всё равно что ничего не сказать. И это печально, учитывая, что человечество никак не может создать коммерчески работоспособные металлогидриды вот уже 60 лет...
Прогнозируемая стоимость энергии на уровне ~70 долларов/МВт·ч к 2100 году делает термояд потенциально конкурентоспособным с другими низкоуглеродными источниками энергии того периода, но всё ещё дороже АЭС.
Вот и получается, что даже при супер-оптимистичном прогнозе всё равно рисуется картина, где этот самый термояд очень дорогой и технологически сложный, даже при условии успешного преодоления колоссальных научных, инженерных и экономических проблем.
Безусловно, термоядерная энергетика имеет огромное значение для будущего человечества. Исследования термоядерной плазмы — это важнейшее направление, которое требует огромных инвестиций. И мы будем продолжать вкладывать в термояд сотни миллиардов долларов. Освоение этой технологии станет самым дорогим вызовом в истории человечества.
- А кто сказал, что всё будет легко?
Но до конца 21 века рассчитывать на этот источник энергии, который «спасёт человечество», будет очень опрометчиво.
Кроме развития и совершенствования АЭС, ничего человечество не спасёт, даже если термоядерная электростанция вот прямо сейчас появится у вас за окном, так как материаловедение и другие технологии попросту не позволят создать экономически выгодную термоядерную электростанцию.
В 2080-2100 году это вполне возможно, и технологии к этому времени неслабо так разовьются.
Искусственный интеллект и квантовые компьютеры нам в этом помогут. Возможно, термоядерная энергетика попросту недостижима до тех пор, пока все технологии человечества не перейдут на новый уровень.
Вот такие дела...
- Подписывайтесь на канал, и обязательно загляните на «Дзен Премиум», там вышло много уникальных и интересных материалов.
- Подписывайтесь на мой телеграм-канал! Там мы общаемся, комментируем и делимся интересными материалами и получаем дополнительный интересный контент.
«Поддержать канал за полезные статьи»