Наше общество сталкивается с грандиозной задачей обеспечения устойчивых, безопасных и доступных средств производства энергии, одновременно пытаясь сократить выбросы углекислого газа до чистого нуля примерно к 2050 году.
На сегодняшний день разработки в области термоядерной энергетики, которые потенциально соответствуют всем этим требованиям, финансировались почти исключительно государственным сектором. Однако что-то меняется.
Согласно опросу Ассоциации термоядерной промышленности, инвестиции частного капитала в мировую термоядерную индустрию выросли более чем вдвое всего за один год — с 2,1 миллиарда долларов США в 2021 году до 4,7 миллиарда долларов США в 2022 году.
Итак, что же является движущей силой этого недавнего изменения? Есть много поводов для волнения.
Прежде чем мы рассмотрим это, давайте сделаем небольшой крюк, чтобы кратко рассказать о том, что такое термоядерная энергия.
Слияние атомов воедино
Термоядерный синтез работает так же, как и наше Солнце, путем слияния двух тяжелых атомов водорода при экстремальной температуре и давлении с выделением огромного количества энергии.
Это противоположно процессу деления, используемому на атомных электростанциях, в ходе которого атомы расщепляются с выделением большого количества энергии.
Поддержание ядерного синтеза в больших масштабах потенциально может привести к созданию безопасного, чистого, почти неисчерпаемого источника энергии.
Наше Солнце поддерживает термоядерный синтез в своем ядре с плазмой заряженных частиц при температуре около 15 миллионов градусов Цельсия. Там, на Земле, мы стремимся к сотням миллионов градусов Цельсия, потому что у нас нет огромной массы Солнца, сжимающей топливо для нас.
Ученые и инженеры разработали несколько вариантов того, как мы могли бы достичь этого, но большинство термоядерных реакторов используют сильные магнитные поля для «закупорки» и удержания горячей плазмы.
Как правило, главная проблема, которую необходимо преодолеть на нашем пути к коммерческой термоядерной энергетике, заключается в создании среды, способной содержать интенсивно горящую плазму, необходимую для самоподдерживающейся термоядерной реакции, производящей больше энергии, чем было необходимо для ее начала.
Присоединение к государственному и частному
Разработка термоядерного синтеза прогрессирует с 1950-х годов. Большая часть этого была обусловлена государственным финансированием фундаментальной науки.
В настоящее время все большее число частных термоядерных компаний по всему миру продвигаются к коммерческой термоядерной энергетике. Решающее значение для этого имело изменение отношения правительства.
Правительства США и Великобритании развивают государственно-частное партнерство в дополнение к своим стратегическим исследовательским программам.
Например, Белый дом недавно объявил, что разработает «смелое десятилетнее видение коммерческой термоядерной энергетики».
В Соединенном Королевстве правительство инвестировало в программу, направленную на подключение термоядерного генератора к национальной электросети.
Технология тоже на самом деле продвинулась вперед
В дополнение к государственно-частному финансированию технологии, необходимые нам для термоядерных установок, появились стремительно.
В 2021 году ученые Массачусетского технологического института и Commonwealth Fusion Systems разработали рекордный магнит, который позволит им создать компактное термоядерное устройство под названием SPARC, «которое значительно меньше, дешевле и в более сжатые сроки».
В последние годы несколько экспериментов по термоядерному синтезу также достигли важнейшего рубежа поддержания температуры плазмы в 100 миллионов градусов Цельсия или выше. К ним относятся эксперимент EAST в Китае, флагманский эксперимент Кореи KSTAR и британская компания Tokamak Energy.
Эти невероятные достижения демонстрируют беспрецедентную способность воспроизводить условия, обнаруженные внутри нашего Солнца, и удерживать чрезвычайно горячую плазму в ловушке достаточно долго, чтобы стимулировать термоядерный синтез.
В феврале Объединенный европейский Торус — самый мощный действующий токамак в мире — объявил о рекордном энергетическом удержании.
А следующий этап эксперимента по термоядерной энергии для демонстрации чистого прироста мощности, ITER, находится в стадии строительства во Франции и в настоящее время завершен примерно на 80%.
Магниты — тоже не единственный путь к термоядерному синтезу. В ноябре 2021 года Национальная установка воспламенения в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии сделала исторический шаг вперед в области термоядерного синтеза в инерционном удержании.
Сфокусировав почти 200 мощных лазеров, чтобы ограничить и сжать мишень размером с ластик карандаша, они создали небольшую термоядерную «горячую точку», генерирующую термоядерную энергию в течение короткого периода времени.
В Австралии компания под названием HB11 разрабатывает технологию синтеза протона и бора с помощью комбинации мощных лазеров и магнитных полей.
Термоядерный синтез и возобновляемые источники энергии могут идти рука об руку
Крайне важно, чтобы инвестиции в термоядерный синтез осуществлялись не за счет других видов возобновляемой энергии и перехода от ископаемого топлива.
Мы можем позволить себе расширить внедрение современных технологий использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра и гидроэлектростанции с перекачкой, а также разрабатывать решения следующего поколения для производства электроэнергии.
Именно эта стратегия была недавно изложена Соединенными Штатами в рамках своей инициативы Net-Zero Game Changers. В этом плане инвестиции в ресурсы будут направлены на разработку пути к быстрой декарбонизации параллельно с коммерческим развитием термоядерного синтеза.
История показывает нам, что невероятный научный и инженерный прогресс возможен, когда мы работаем вместе с правильными ресурсами — быстрая разработка вакцин против COVID-19 является лишь одним из недавних примеров.
Очевидно, что многие ученые, инженеры, а теперь и правительства и частные инвесторы (и даже дизайнеры одежды) решили, что термоядерная энергия — это решение, к которому стоит стремиться, а не несбыточная мечта. Прямо сейчас это лучший шанс, который у нас еще был, чтобы сделать термоядерную энергетику жизнеспособной реальностью.