В любой подборке научно-популярных журналов за последние лет 50 вы наверняка найдете статьи о ядерном синтезе. Разные авторы приводили разные аргументы, но почти все они сходились на том, что до создания ядерного синтеза оставалось около 20 лет. Причем такая цифра встречается в материалах как 50-летней, так и 10-летней давности.

Кажется, ядерный синтез постоянно ускользает от нас и всегда будет где-то впереди, однако в последнее время произошли изменения, которые сократили двадцатилетний горизонт до всего лишь десятилетия. Во-первых, мы стали лучше понимать науку о термоядерном синтезе. Во-вторых, произошел ряд технологических прорывов. Но именно третья причина может стать решающим фактором: изменение менталитета. Впрочем, важно сразу отметить, что на данный момент ни одна термоядерная установка не может произвести больше энергии, чем требуется для начала реакции.

Предпосылки

Но давайте начнем с самого начала. Что вообще такое ядерный синтез? Если вкратце, это процесс соединения легких атомов с выделением энергии. Именно благодаря ядерному синтезу светит Солнце, а также все прочие звезды. Создание термоядерного реактора на Земле было большим вызовом для ученых, однако долгое время никто не знал, зачем именно нам может понадобиться столь мощный источник энергии. Два важнейших фактора, которые нужно держать в уме, — глобальное изменение климата и энергетическая безопасность. Что касается изменения климата, термоядерный синтез предлагает богатый источник энергии, которую можно использовать в сочетании с возобновляемыми источниками энергии — солнцем и ветром. Об энергетической безопасности также говорят уже давно — страны, не имеющие собственного ископаемого топлива, хотят быть независимыми от поставщиков углеводородов вроде России, Саудовской Аравии или Венесуэлы.

Ближайший к нам центр термоядерной энергии находится в Англии, в графстве Оксфордшир. Там расположен экспериментальный термоядерный реактор. Он называется JET и представляет собой токамак — пятиметровый сосуд в форме тора (или пончика). Кстати, само название «токамак» происходит от русского определения «тороидальная камера с магнитным полем». Впрочем, к JET мы еще вернемся.

Имитация Солнца на Земле

Солнце — ближайший к Земле природный термоядерный реактор. Глубоко под его светящейся поверхностью температура достигает 15 миллионов градусов Цельсия, кроме того, там невероятно высокое давление и огромная плотность. В таких условиях термоядерный синтез происходит естественным образом. Он начинается с водорода и проходит через серию взаимодействий, которые заставляют ядра водорода соединяться вместе. Сначала в результате реакций образуются изотопы водорода и гелия, а затем и сам обычный гелий. Для искусственного термоядерного реактора невозможно создать давление и плотность, которые существуют на Солнце. В JET, например, плотность газа редко превышает плотность обычного воздуха снаружи, поэтому для компенсации необходимо повысить температуру до более чем 100 миллионов градусов Цельсия. При таких температурах газ становится электрически заряженным. Это состояние материи называется плазмой, и благодаря электрическому заряду им можно управлять с помощью магнитного поля. Магнитное поле необходимо, потому что ни один материал не может содержать газ при температуре более 100 миллионов градусов Цельсия. Магнитное поле ускоряет и контролирует поток плазмы внутри реактора, позволяя частицам сливаться и высвобождать энергию.

После серии экспериментов, проведенных в JET в течение нескольких лет, стало ясно: дейтерий и тритий будут тем топливом, которое сделает термоядерный синтез жизнеспособным. Итак, теперь, когда с наукой разобрались, следующий шаг для инженеров — построить реактор, способный вырабатывать больше энергии, чем ему необходимо для работы. Именно здесь и появляется ITER. Это токамак вдвое большего диаметра, чем JET. Он строится на юге Франции консорциумом из 35 стран. Строительство самого токамака должно было завершиться в самом конце 2022 года, но, судя по всему, оно немного задерживается. Ожидается, что ITER начет использоваться только в 2025 году, после чего в течение десяти лет реактор будет постепенно наращивать свою мощность. Ожидается, что в конечном итоге ИТЭР сможет давать в 10 раз больше энергии, чем требуется для запуска процесса.

Еще одним многообещающим реактором должен стать STEP (Spherical Tokamak for Energy Production), который будет первым в мире прототипом установки по производству энергии ядерного синтеза. Место для его строительства будет выбрано в конце 2022 года, само строительство планируется в 2030-х годах, а ввод в эксплуатацию — несколькими годами позже.

Обмен опытом и знаниями

Распространение знаний о том, что нужно для термоядерного синтеза, в сочетании с маршем технологического прогресса означают: строительство коммерческой термоядерной электростанции — в большей степени инженерная задача, а не прыжок в бесконечные научные исследования и разработки. В результате в последние несколько лет появилось множество частных компаний, заинтересованных в разработке собственных подходов к термоядерному синтезу.

Еще 20 лет назад термоядерный синтез был прерогативой правительств, теперь же в мире насчитывается более 25 частных термоядерных компаний, и они привлекают огромные инвестиции. Компаниям важно быть физически близко друг к другу, чтобы удобнее было работать над совместными проектами. Самым известным технологическим кластером является Кремниевая долина (также известная как Силиконовая долина). В Великобритании в скором времени будет запущен подобный кластер, нацеленный на компании, объединенные идеей ядерного синтеза. Проект называется Fusion Cluster и уже привлекает начинающие компании, заинтересованные в создании термоядерных реакторов или участии в их создании. Они будут размещаться рядом с объектами JET, что позволит накапливать опыт и возможности в одном месте. Это проверенная и испытанная формула.

Рекомендуем почитать:

У Великобритании, к слову, уже есть позитивный опыт в создании подобных научных кластеров. Один из них существует в научно-инновационном кампусе Харуэлл. Он начал свою деятельность около 10 лет назад с горстки компаний, объединенных темой исследования космоса, а сейчас в нем насчитывается более 100 космических организаций.

Успехи уже начались для двух наиболее известных компаний кластера. Tokamak Energy недавно достигла необходимой для термоядерного синтеза температуры плазмы в своем реакторе шириной один метр, а First Light Fusion впервые осуществила термоядерный синтез, используя подход, отличный от токамаков. Впрочем, кластер планирует привлечь не только реакторные компании. Ему также нужны стартапы, которые могут предоставлять важные продукты и услуги для реакторов, а именно — робототехнику и искусственный интеллект.

Робототехника, ИИ и термоядерный реактор

Когда реакторы будут запущены, люди не смогут войти в них для проведения технического обслуживания: при синтезе дейтерия и трития энергия выделяется в виде нейтронов, которые создают высокий уровень радиации. Поэтому роботы будут выполнять задачи, которые не под силу людям. Это уже происходит на JET, где роботизированная рука длиной 12 метров дистанционно управляется командой техников. Аппарат под названием MASCOT может пробираться в токамак и заменять настенные плитки, закручивать винты или снимать изношенные компоненты. Хотя техники обладают высокой квалификацией в управлении манипулятором — в рамках обучения они играют с ним в дженгу, — это все же медленный процесс.

В высокорадиационной среде реактора электроника может быстро выйти из строя. Поэтому роботизированная рука покрыта точками, положение которых точно измеряется специальными камерами. Когда рука испытывает нагрузку от тяжелых грузов или движений, узор из точек немного искажается. Это измеряется камерами и может быть преобразовано в своего рода карту боли руки, показывающую, как она работает. Если система сработает, уязвимые электронные датчики внутри руки могут быть удалены, что сделает ее более дешевой в производстве.

Чтобы научить роботов быть максимально отзывчивыми и автономными, необходимо использовать искусственный интеллект. В то время как ИИ отлично работает в цифровом мире, например, распознает лица, он не добился таких успехов в управлении роботами или реакторами. Оказалось, традиционные системы искусственного интеллекта перестают обучаться после того, как их обучили. Если они сталкиваются с незнакомой ситуацией, начинают барахтаться. Чтобы решить эту проблему, пришлось закодировать машинный эквивалент нейропластичности — процесса, с помощью которого мы адаптируем свое поведение к условиям окружающей среды.

В настоящее время беспилотники обучают летать так, чтобы в случае потери ротора машина незаметно подстроилась и пользователь практически не заметил разницы в управлении, хотя производительность, конечно, пострадает. В будущем можно представить себе программы управления термоядерными реакторами, которые незаметно подстраиваются под быстро меняющиеся условия внутри плазмы, дабы поддерживать максимально возможную эффективность термоядерного синтеза.

Частные компании и их счастливое будущее

Существует несколько подходов к ядерному синтезу. Помимо вихревой плазмы в токамаках, существует еще один подход, называемый инерционным термоядерным синтезом. В этом методе топливная таблетка сжимается до температуры и плотности, которые позволяют осуществить термоядерный синтез.

В установке NIF в США сжатие достигается с помощью 192 чрезвычайно мощных лазеров. В First Light Fusion, частной компании, которая является частью термоядерного кластера в Калхэме, сжатие достигается путем выстрела в мишень, содержащую топливо, снарядом, выпущенным из сверхскоростной пушки. Снаряд разгоняется до 6,5 километров в секунду, но когда он попадает в цель, сверхсекретная конструкция фокусирует и усиливает удар, заставляя топливо взрываться со скоростью более 70 километров в секунду. Это запускает термоядерный синтез и высвобождает импульс энергии.

Основатель компании First Light Николас Хокер слышал о термоядерном синтезе во время учебы в средней школе в начале 2000-х годов, но только после защиты докторской диссертации взялся за изучение возможностей инерционного термоядерного синтеза, который в то время был совершенно новым подходом. Теперь, когда доказано, что технология работает, First Light разрабатывает демонстрационный реактор, который будет построен во второй половине 2020-х годов. Компания также работает над созданием экспериментальной электростанции в 2030-х годах, в соответствии с другими термоядерными стартапами и правительственными инициативами.

Чем сильнее магнитное поле токамака, тем больше контроль над плазмой и тем меньше может быть реактор. Компания Tokamak Energy, как и другие лаборатории по всему миру, разработала мощные устройства, называемые высокотемпературными сверхпроводящими магнитами. Они создают магнитные поля почти в миллион раз сильнее, чем естественное поле Земли.

Недавно компания Tokamak Energy достигла температуры плазмы в 100 миллионов градусов Цельсия в небольшом реакторе, построенном полностью на частные средства. Высота реактора составляет около четырех метров, а ширина — три метра, но его объем в 30 раз меньше, чем у любого другого реактора, в котором была достигнута такая температура. Теперь исследователи планируют построить новый реактор с использованием разработанных ими ВТСП-магнитов. Это должно изменить ситуацию.

Экспериментальные установки вроде JET жизненно важны для изучения термоядерного синтеза, однако именно небольшие, более дешевые реакторы позволят реализовать эту технологию в жизнеспособные электростанции. И если говорить о более-менее точном прогнозе на ближайшее будущее, то уже через 10 лет должна быть создана экспериментальная установка, использующая технологию ядерного синтеза, которая сможет масштабироваться в коммерческую электростанцию. А затем в течение последующих 10 лет начнется развертывание электростанций в глобальном масштабе.

Рекомендуем прочитать, как упростить и ускорить реальный мир.

Прочитано: 125