Термоядерная энергия — голубая мечта ученых — может воплотиться в реальность быстрее, чем предполагалось ранее. Физики Массачусетского технологического института заявили о готовности создать работающий термоядерный реактор в течение ближайших 15 лет. А корпорация Lockheed Martin обещает добиться того же еще раньше — уже в 2024 г.
Неприрученный термояд
В основе получения термоядерной энергии лежит термоядерный синтез, или, на жаргоне физиков, термояд. В отличие от ядерного деления, представляющего собой процесс расщепления очень тяжелого атомного ядра (например, урана) на два-три более легких ядра с близкими массами, в ходе которого производится тепловая энергия, ядерный синтез позволяет получать энергию при слиянии очень легких атомных ядер (например, при превращении водорода в гелий). В то время как реакция ядерного деления давно уже приручена в атомных электростанциях, ядерный синтез до сих пор остается “диким зверем”.
Между тем это самая важная реакция для нас, землян. Именно благодаря ей светят звезды, в том числе и наше Солнце. Для своего протекания ядерный синтез требует температур во многие миллионы градусов, почему он и называется термоядерным. Но при этом может выделяться гораздо больше энергии, чем затрачивается.
Приручением термояда ученые занимаются уже свыше 70 лет. Первый патент на термоядерный реактор был выдан в Великобритании еще в 1946 г. Однако до сих пор не создано реактора, который выделял бы больше энергии, чем получает. Все попытки упираются в одну и ту же проблему: очень сложно удержать в ограниченном объеме плазму, разогретую до сверхвысоких температур.
На данный момент наиболее обещающим вариантом конструкции термоядерного реактора является токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Тороидальная — значит похожая на бублик или велосипедную шину. Магниты создают внутри камеры очень сильное магнитное поле, которое удерживает горячую плазму и таким образом обеспечивает условия, необходимые для протекания управляемого термоядерного синтеза.
Зачем Eni инвестирует в альтернативное будущее
Физики Массачусетского технологического института (MIT) 9 марта объявили, что они совместно с компанией Commonwealth Fusion Systems (CFS) собираются в течение 15 лет построить термоядерную электростанцию. По их оценке, это будет “драматический скачок вперед” к получению потенциально неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Ученые утверждают, что их разработка положит конец зависимости человечества от дорогостоящих ископаемых видов топлива — нефти, каменного угля, горючего сланца, природного газа, торфа — и замедлит процессы изменения климата.
Об этих планах подробно рассказали научный журнал Nature и многие американские СМИ. Первоочередной задачей, решение которой может занять около трех лет, является создание очень сильного и притом компактного электромагнита. Для этого будут использованы высокотемпературные сверхпроводящие материалы в виде стальной ленты, покрытой оксидом иттрия-бария-меди. Они стали коммерчески доступными лишь в последние несколько лет. Раньше подобной технологической возможности просто не существовало.
В течение следующего десятилетия команда намерена разработать компактный токамак SPARC, способный генерировать 100 МВт тепловой энергии. А затем ученые надеются создать пилотную электростанцию мощностью 200 МВт, которая сможет подавать электроэнергию в сеть.
Для перспектив проекта немаловажно, кто его финансирует. Компания CFS была создана в 2017 г. группой ученых и исследователей из Центра науки о плазме и термоядерного синтеза MIT. Эта компания подписала соглашение с крупнейшей итальянской нефтегазовой компанией Eni, которая обязалась инвестировать в CFS 50 млн евро и за это получит долю в CFS. Приобретение компанией Eni доли в CFS будет завершено во втором квартале 2018 г. Параллельно Eni подписала соглашение с MIT, которое позволит им совместно осуществлять исследовательские программы по физике плазмы и передовым технологиям термоядерного синтеза и производства электромагнитов.
Тут может возникнуть вопрос, зачем итальянскому нефтегазовому гиганту финансировать создание альтернативной энергетической отрасли, способной резко сократить мировую потребность в нефти и газе. Eni прямо заявляет, что соглашения с CFS и MIT являются частью стратегии Eni, направленной на развитие технологий “смены игры” в энергетическом секторе. “Термоядерный синтез — это настоящий источник энергии будущего, поскольку он полностью безопасен, не выделяет вредных выбросов или долгосрочных отходов и потенциально неисчерпаем. Это цель, которую мы все решительней стремимся быстро достичь”, — говорит главный исполнительный директор Eni Клаудио Дескальци.
Lockheed Martin хочет отобрать Марс у Илона Маска
В том же направлении уже свыше шести лет работает американская военно-промышленная корпорация Lockheed Martin, специализирующаяся в области авиакосмической техники и судостроения. 3 апреля 2013 г. корпорация подала предварительную, а почти год спустя — окончательную заявку на патент “Инкапсулирующие магнитные поля для удержания плазмы”. В октябре 2014 г. Lockheed Martin презентовала свои термоядерные планы. И вот 15 февраля 2018 г. желаемый патент получен.
Впрочем, сама корпорация это событие не афишировала. Возможно, оно так и осталось бы незамеченным, если бы не руководитель Американского бюро Flightglobal Стивен Тримбл, который 26 марта обнародовал основные детали патента, полученного Lockheed Martin. Как отмечает сайт The Drive, если все будет идти по плану, то уже в следующем году корпорация сможет представить прототип компактного термоядерного реактора размером всего лишь со стандартный грузовой контейнер для перевозок, но способного снабжать энергией 80 тыс. домохозяйств или авианосец класса Nimitz.
К слову, авианосцы этого класса являются самыми большими военными кораблями в мире. В течение 1975-2009 гг. ВМС США получили 10 таких кораблей, их отличительная особенность — каждый имеет по два ядерных реактора A4W Westinghouse. Если американцы получат возможность ставить вместо ядерных реакторов термоядерные размером с контейнер, то можно представить себе, сколь быстро и значительно вырастет могущество американского флота.
На своем сайте Lockheed Martin рассказывает и о других возможных применениях компактного термоядерного реактора. В частности, его можно установить на стратегический военно-транспортный самолет повышенной грузоподъемности Lockheed C-5 Galaxy. В течение 1969-1989 гг. Lockheed Martin поставила ВВС США 131 такой самолет.
А еще компания планирует оснащать своими термоядерными реакторами космические корабли. Благодаря этому, утверждает Lockheed Martin, можно будет добраться до Марса всего лишь за месяц, тогда как сейчас на это требуется полгода или больше. Стоит отметить, что Илон Маск, обещающий отправить сверхтяжелую ракету на Красную планету уже в 2022 г., говорит, что время полета составит около 80 дней. Так что термоядерный корабль Lockheed Martin будет лететь, в грубом приближении, втрое быстрее суперракеты Маска.
Но дело не только в скорости. Вспомним, чем хвастается Маск в последние годы, на чем сконцентрированы его усилия: он научился сажать и повторно использовать отработанные ступени, то есть, по сути, пустые баки из-под ракетного топлива. А термоядерному кораблю никакие дополнительные ступени вообще не нужны. Вместо огромных топливных баков можно будет пристраивать к кораблю пассажирские и грузовые отсеки, благодаря этому эффективность космической миссии возрастет даже не в разы, а на порядки.
Что же касается экспедиции на Марс, то тут преимущество Lockheed Martin еще серьезнее. Владелец SpaceX видит свою задачу в том, чтобы доставить людей на Красную планету, а что они там будут делать и как они там выживут — это уже проблема их самих и тех, кто оплатит SpaceX это путешествие. Термоядерный корабль Lockheed Martin сможет доставить на Марс не только колонистов, но и компактные термоядерные реакторы, которые обеспечат будущую колонию дармовой энергией. В таком случае гораздо более реалистичным будет и решение других проблем, от постройки герметичной базы до разведки и добычи полезных ископаемых.
Какие секреты скрывает Skunk Works
В Lockheed Martin созданием компактного термоядерного реактора занимается секретное исследовательское подразделение Skunk Works. Там работают спецы очень высокого класса. Достаточно сказать, что именно Skunk Works сейчас разрабатывает сверхзвуковые стратегические разведчики для ВВС США и коммерческие пассажирские сверхзвуковые самолеты для NASA.
Главным конструктором и техническим руководителем проекта Compact Fusion в Skunk Works является Томас Макгуайр, сделавший диссертацию на экспериментальном термоядерном устройстве в MIT. В октябре 2014 г. Макгуайр заявил, что целью его команды является создание рабочего реактора мощностью 100 МВт через пять лет и серийной системы — в течение 10 лет, то есть к 2024 г.
По словам Макгуайра, в аспирантуре в MIT он изучал термоядерный синтез в рамках исследования NASA, призванного найти способы сократить время полета на Марс. “Я начал изучать все идеи, которые были опубликованы. Я соединил все эти идеи во что-то новое, пытаясь заменить недостатки в одних преимуществами в других”, — сказал Макгуайр и затем отметил некоторые отличия его реактора от традиционных токамаков.
Одним из новшеств проекта является использование сверхпроводящих магнитов. Они позволяют создать сильные магнитные поля при меньших затратах энергии, чем обычные магниты. Кроме того, вместо тороидальной (кольцевой) камеры используется камера, похожая на бутылку с запаянными горлышками на обоих концах.
“Проблема с токамаками заключается в том, что они могут удерживать только небольшое количество плазмы”, — отметил Макгуайр. Чтобы быть понятнее, он напомнил, что токамак по форме похож на велосипедную шину, и добавил: “Если шину слишком сильно накачать, то в конце концов покрышка лопнет”.
Макгуайр избегает этих проблем, радикально изменив подход к удержанию плазмы. В его реакторе система регулируется самонастраивающимся механизмом обратной связи. В результате, чем дальше расширяется плазма, тем сильнее становится ограничивающее магнитное поле, сдерживающее ее. “В нашем случае вместо велосипедной шины есть нечто похожее на толстую упругую оболочку, которая сжимает зону реактора и сама упирается в твердую стену”, — говорит Макгуайр.
Благодаря всем этим новшествам удается на порядок повысить давление удерживаемой плазмы по сравнению с токамаками и многократно уменьшить линейные размеры всего устройства (то есть его длину, высоту и ширину). В свою очередь, сокращение масштаба столь же существенно сократит расходы на строительство реактора.
Разумеется, Макгуайр раскрыл не все секреты. Также и патент, полученный Lockheed Martin, описывает технологию лишь в общих чертах, совершенно недостаточных для ее копирования. Тем не менее тот факт, что патент не засекречен, вызвал вопросы. Как отмечает The Drive, это может ставить под сомнение зрелость системы с точки зрения ее практического применения. Компания, получающая патент, не обязательно активно развивает технологию, описанную в документе. Поэтому The Drive предполагает, что в ближайшем будущем “предстоит еще одно крупное заявление от Lockheed Martin”, которое развеет сомнения.
Что это будет означать для человечества
В любом случае ситуация прояснится в 2019 г., когда корпорация представит — или же не представит — обещанный работающий прототип реактора. Незасекреченность патента может означать, что Lockheed Martin близка к успеху и собирается зарабатывать деньги на массовом тиражировании своей технологии по всему миру. Но даже если нет, удача может улыбнуться физикам MIT и CFS, разрабатывающим SPARC на деньги Eni. Над созданием компактного термоядерного реактора работают и другие команды. Например, британская компания Tokamak Energy обещает в 2025 г. представить работающий прототип, а в 2030 г. начать поставки электроэнергии в национальную энергосеть.
Если хотя бы одна из команд достигнет успеха, то трудно переоценить, насколько резко это изменит перспективы всей мировой экономики. По оценке Lockheed Martin, чтобы в течение года генерировать постоянную мощность в 100 МВт, реактору потребуется всего лишь 11,3 кг топлива в виде смеси дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода. Другие команды ориентируются на примерно такие же показатели. Компактные термоядерные реакторы смогут обеспечить весь мир почти дармовой энергией. Благодаря этому можно будет опреснять морскую воду для орошения пустынь, а значит, увеличить производство продовольствия на планете. В то же время резко снизится мировое потребление угля, газа, нефти, как следствие, улучшится экологическая ситуация. Наконец, есть шанс, что хотя бы некоторую часть сэкономленных денег правительства направят на научные исследования и разработку новых технологий. Все это может произойти если не в ближайшие пять, то в ближайшие 15 лет.
ITER: когда гигантизм пугает
Фото: iter.org
Крупнейшим в мире токамаком должен стать ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш на юге Франции. Этот проект был официально начат 24 октября 2007 г. Он занимает площадь длиной в 1 км и шириной в 400 м. Сам токамак ITER будет представлять собой сооружение высотой 60 м и массой 23 тыс. т.
Первоначально стройку планировалось закончить в 2016 г., а ее стоимость оценивалась в 5 млрд евро. Однако постепенно ожидаемая сумма расходов выросла до 20 млрд евро. Срок начала первых плазменных экспериментов сдвинулся на декабрь 2025 г., а запуск полноценной реакции термоядерного синтеза намечен лишь на 2035 г.
Разработчики проекта надеются разогреть в токамаке плазму до температуры в 150 млн градусов — это в 10 раз больше, чем в самом центре Солнца. Предполагается, что реактор будет нуждаться в энергетической подпитке мощностью 50 МВт, а сможет генерировать в 10 раз большую мощность — 500 МВт. По сравнению с действующими АЭС это не так уж и много. Например, Запорожская АЭС имеет шесть энергоблоков по 1000 МВт каждый.
Именно гигантские размеры и стоимость ITER при довольно скромном ожидаемом результате вызывают больше всего критики. Но в то время как скептики-профаны называют этот проект бесполезной тратой времени и денег, а термоядерный синтез — тупиковым направлением, энтузиасты-профессионалы из числа физиков-ядерщиков ищут способы создать реактор на порядок более дешевый и компактный.
