Наш старый сайт

Удержать Солнце под контролем

Удержать Солнце под контролем

№03 (1247) от 18.01.202224.01.2022

Управляемый термоядерный синтез — перспективное направление в энергетике

Сегодня всюду говорят о "зеленом" переходе, об отказе от углеводородов и использовании ВИЭ... Еще одно перспективное направление — управляемый термоядерный синтез. Несмотря на то, что термоядерный синтез очень сложное научное направление и его первых результатов не стоит ожидать уже завтра, "ЭнергоБизнес" решил разобраться каково положение дел на сегодня и как в этом деле задействованы украинские ученые.

Принцип термоядерного синтеза противоположный принципу, на котором работают все нынешние АЭС, — ядерному распаду. Если в ядерных реакторах большие ядра урана бомбардируют потоком нейтронов, в результате чего образуются более мелкие элементы и выделяется энергия, то в случае с синтезом — все наоборот: небольшие ядра заставляют соединиться в атом большего размера, что влечет за собой выделение энергии. Идея такой реакции как способа получения энергии (электричества) — не новая, она уходит корнями еще в середину прошлого века, но ее реализация очень сложная и поэтому пока мир еще находится на стадии научных исследований.

Для прохождения термоядерной реакции нужно взять газ, который будет состоять из заряженных атомов (наиболее изученный пример, это два изотопа водорода — дейтерий и тритий) и заставить эти атомы соединиться, образовав более тяжелое ядро гелия и один нейтрон. Но, ядра дейтерия и трития — положительно (т. е. одинаково) заряжены и так просто они соединяться не хотят. Для преодоления отталкивания одноименно заряженных частиц их нужно заставить приблизиться на столь ничтожное состояние, при котором верх возьмут силы, которые соединят их вместе и образуют ядро гелия. Чтобы ионы дейтерия и трития приблизились друг к другу на необходимое для синтеза расстояние, ученые предложили газ, состоящий с этих изотопов, нагреть до высоких температур и сжать. Такое агрегатное состояние (ионизированного газа) называется плазмой.

Принцип реактора состоит в том, что плазму с маленькими изотопами нагревают до температуры, которая превышает температуру Солнца и с помощью магнитного поля ее сдавливают, не касаясь раскаленной материи. При таких температурах и давлениях ионы дейтерия и трития начинают чаще соударяться и образовывать ядра гелия и нейтрон. Отметим, что дейтерий — очень распространенный в природе изотоп водорода, в обычной воде один на 6 тысяч атомов водорода является таким изотопом.

Идею термоядерного реактора очень сложно реализовать технически, ведь температура плазмы достигает сотен миллионов градусов Цельсия, эту субстанцию нельзя так просто сдавить, для этого необходимо создать постоянное очень мощное электромагнитное поле. Более того, очень сложно плазму поддерживать, чтобы она существовала продолжительное время, реакция синтеза продолжалась и энергия выделялась. Мощные магниты должны создавать поле, удерживать плазму и не касаться ее. Не менее трудоемкая задача — это отвод энергии для ее преобразования в электрический ток.

На сегодня ведущие страны мира работают над разными проектами управляемого термоядерного синтеза, есть государственные программы, есть совместные проекты, есть и попытки частных компаний. Наверно, наиболее известный проект совместной реализации — это ITER (англ. International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор). Этот проект реализуют множество стран, они строят большой реактор на юге Франции для демонстрации возможности коммерческого использования термоядерной реакции синтеза. Строительство реакторной установки началось в 2010 г., а летом 2020 г. — началась сборка реактора. Кстати, реактор ITER строится недалеко от Марселя и Лазурного побережья, что свидетельствует о том, что разработчики убеждены в безопасности работы установки. Предположительно, реактор ITER должен заработать в 2027 г., он будет выдавать мощность 500 МВт (тепловой энергии), но не будет производить электроэнергию. На нем будут проведены исследования, которые позволят в будущем построить уже демореактор, который будет генерировать энергию в сеть.

Смелые инвестиции

Согласно отчету Британского агентства атомной энергетики (UK Atomic Energy Authirity) о развитии термоядерного синтеза за 2021 г., в прошлом году суммарный объем инвестиций по всему миру в изучение управляемого термоядерного синтеза составил $1.9 млрд, из которых львиная доля принадлежала частным инвесторам ($1.78 млрд). Среди опрошенных британским агентством инвесторов в "термояд" уже вложились известные бренды, например, IT-гигант Google, энергетические компании Eni, Equinor, венчурные подразделения (Chevron Technology Ventures), нефтегазовые бароны (Kuwait Investment Authority), а также очень известные предприниматели, такие как Джефф Безос.

В этом отчете отмечается, что на протяжении 1992-1997 гг. в мире была всего одна частная компания, которая занималась синтезом, а в 2020 г. их количество выросло до 23 игроков. Лидером по количеству частных проектов в этой сфере является США (13 компаний). Отметим, что исследование, по-видимому, не включает государственные проекты таких стран, как Россия или Китай, но включает частный проект в КНР компании ENN Science and Technology Development Co., которая была основана в 2018 г. и инвестировала в проект своего реактора около $150 млн.

5 ноября 2021 г. агентство Bloomberg сообщило, что частная американская компания Helion Energy Inc. во время раунда привлечения инвестиций смогла привлечь $500 млн в свой проект по термоядерному синтезу (с дополнительными обязательствами в последующем инвестировать $1.7 млрд для достижения отдельно взятых целей).

По словам CEO и фаундера компании Девида Киртли, Helion Energy планирует построить импульсный реактор Polaris с достижением температуры 100 млн градусов Цельсия. Габариты установки - 1.8 метра в высоту и 12 метров в длину. Планируется, что в реакторе будет происходить изменение магнитного поля, что будет индуцировать электрический ток в проводниках оболочки реактора, и таким образом не нужно будет отводить тепло и строить турбину и генератор. Д. Киртли обещает, что такой реактор сможет заработать и выдавать электричество себестоимостью производства 1 цент за 1 кВтч до 2024 г. (для сравнения, себестоимость генерации электричества в США из газа, по информации Bloomberg, в 2020 г. составляла 2.45 центов).

"Синтез должен быть частью обсуждения, если мы говорим об энергии будущего. Миру стоит рассчитывать на синтез", — приводит цитату Д. Киртли агентство Bloomberg.

Стоит отметить, что одним из инвесторов в проект Helion Energy Inc. является инвестиционная компания Mithril Capital Management американского инвестора Питера Тиля, известного своими вложениями в Facebook и деятельностью в PayPal.

Также в освоении термоядерного синтеза продвигается Массачусетский технологический институт (MIT), который ведет разработку сверхмощных магнитов, которые смогут удерживать плазму и при этом быть компактными по сравнению с проектом ITER. В MIT планируют запустить первый реактор с такими магнитами к 2025 г., этот аппарат должен продемонстрировать возможность производить больше энергии, чем ее потреблять. Согласно сообщению MIT от 5 сентября 2021 г., первый такой сверхмощный магнит впервые в мире смог создать наибольшую напряженность магнитного поля (характеристика, которая определяет величину и направление магнитного поля), которую когда-либо получалось достичь в искусственных условиях.

Драгоценные секунды

Одним из самых главных технологических вызовов для реакторов является время удержания раскаленной плазмы под давлением электромагнитного поля. Чем дольше времени удастся удержать плазму, тем дольше будет происходить реакция синтеза и, следовательно, можно будет получить больше электричества.

Согласно информации издания Global Times, которая была опубликована в июне 2021 г., китайские ученые на токамаке (тороидальная установка для магнитного удержания плазмы) EAST смогли добиться времени удержания плазмы температурой 120 млн градусов Цельсия на протяжении 101 секунды и 160 млн градусов Цельсия в течение 20 секунд.

Наиболее в этом вопросе продвинулась Южная Корея, а именно, их Национальный институт исследования синтеза. Согласно сообщению издания Business Korea от 22 ноября 2021 г., корейским ученым и инженерам на своем реакторе Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) удалось удержать плазму температурой 100 млн градусов Цельсия на протяжении 30 секунд, в прошлом году они же достигли результата — 20 секунд. Казалось бы, секунды — это немного, но на самом деле, это мировой рекорд, так как многие установки в мире могут удерживать плазму на протяжении лишь долей секунды. Дальнейшая цель корейского института — достичь 300 секунд удержания плазмы к 2026 г.

Украинский вклад

В комментарии для "ЭнергоБизнеса" директор Института физики плазмы Национального научного центра "Харьковский физико-технический институт" Игорь Гаркуша рассказал, что на сегодня делают украинские ученые для исследования проблем управляемого термоядерного синтеза.

По его словам, Украина присоединилась к европейским программам по этому вопросу начиная с 2017 г. "Тогда мы присоединились к консорциуму Eurofusion, который координирует все европейские исследования в сфере управляемого термоядерного синтеза", — сказал И. Гаркуша, добавив, что от Украины исследовательские работы ведут: Харьковский физико-технический институт (ХФТИ), Институт теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова НАН Украины, Институт ядерных исследований НАН Украины, Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, КНУ им. Тараса Шевченко и "Львовская политехника".

"Эти организации на протяжении 2017-2020 гг. были вовлечены в программу Eurofusion. Наше участие было достаточно успешным, поскольку мы участвовали во многих проектах. Например, мы принимали участие в исследованиях на токамаке JET-1, который расположен в Великобритании. Мы брали участие в работе на средних токамаках в Германии, Швейцарии и Англии, а также мы присоединились к пакетам исследований на стеллараторах (еще один тип реактора для удержания плазмы. — Ред.) по вопросам теории стеллараторов и экспериментальных работ. Последнее дало нам возможность быть вовлеченными в эксперименты на самом большом в мире стеллараторе Wendelstein 7-X, который расположен на севере Германии", — сказал И. Гаркуша.

Для участия в европейских программах исследований использовались установки в украинских институтах, например, стелларатор "Ураган-3М", который расположен в ХФТИ. И. Гаркуша отметил, что харьковские стеллараторы создают плазму с температурой 10-15 млн градусов Цельсия, что соответствует температуре в центре Солнца.

Финансирование работ украинских ученых в рамках Eurofusion на 55% осуществляется Еврокомиссией, а на 45% — украинским бюджетом, последний, как всегда, довольно скудный, что сдерживает расширение нашего участия в европейских проектах.

Для будущих работ украинские ученые присоединились к программе Europe Horizon до 2027 г. На сегодня уже подготовлено соответствующее международное соглашение. Но, это соглашение должна еще ратифицировать Верховная Рада, которая пока занята "более важными" делами. Как только, соглашение будет ратифицировано, ХФТИ, который уже получил небольшой проект, сможет привлечь и другие украинские научные учреждения. Украинские физики продолжат исследования свойств плазмы как отдельного агрегатного состояния вещества.

"Еще древние греки выделяли четыре стихии: вода, камень, лед и пламя. Плазма — это, можно сказать, пламя, а точнее — ионизированный газ… Человечество все еще имеет довольно ограниченное представление о свойствах плазмы. С фундаментальной точки зрения мы должны знать, как ведет себя вещество с названием "плазма" в условиях температур для термоядерного синтеза, мы должны знать, что происходит внутри звезд", — описал И. Гаркуша проблемы, которые предстоит изучить украинской и мировой науке.

И. Гаркуша также указал, что на сегодня Европа разрабатывает дизайн нового термоядерного реактора (демореактора), который должен будет прийти на смену проекту ITER и будет производить киловатт-часы в сеть. Приятная новость: Украина будет привлечена к разработке дизайна нового реактора.

"На сегодня только начата разработка дизайна проекта демо-реактора. Программа по созданию дизайна рассчитана до 2027 г. Как раз в этом году планируется, что ITER даст первую плазму. На протяжении 2021-2027 гг. около две трети финансирования Eurofusion будет идти на разработку дизайна демореактора… Демореактор уже будет присоединен к сети", — отметил И. Гаркуша.

Говоря о значении изучения термоядерного синтеза, ученый отметил, что именно этот источник способен обеспечить большие количества энергии, в которых нуждается цивилизация, которая намерена отказаться от углеводородов.

"Сейчас Европа и весь мир признают термоядерную энергию в качестве "зеленой" энергии будущего. Никакой другой источник не способен обеспечить десятикратное увеличение производства энергии человечеством", — сказал он, добавив, что не стоит ожидать скорого появления энергетических установок на основе термоядерного синтеза, но именно они способны давать большие количества энергии, используя, например, дейтерий, которого очень много в обычной воде.

"Если человечество хочет обеспечить себя надежным источником энергии, то оно должно инвестировать в эти стратегические разработки", — резюмировал ученый.