«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», — это начало одной из статей «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.
Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение — это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.
У них есть только одна большая проблема — промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов — горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.
Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.
ITER
ITER — cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода — дейтерия и трития.
Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.
Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X — крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, — «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.
Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.
National Ignition Facility
Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.
Более того, исследование, проведенное министерством энергетики США, мягко рекомендует задаваться не вопросом, «когда же у NIF это все-таки получится», а «возможно ли в принципе получить термоядерную энергию таким образом». Проще говоря, новостей от этого проекта можно уже не ждать.
Термоядерные стартапы
Частные компании экспериментируют с другими конструкциями реакторов и типами топлива, привлекают частных инвесторов вместо государственных миллиардов и обещают показать работающие прототипы в ближайшие годы.
TAE Technologies существуют с 1998 года и регулярно публикуются в научных журналах. Их технология термоядерного синтеза основана на слиянии ядер водорода и бора, она позволяет уменьшить потери энергии с потоком нейтронов, однако требует более высокой температуры для протекания реакции, чем другие технологии, — 3 миллиарда градусов Цельсия. Достичь и удержать нужную температуру — это и есть задача, над которой сейчас работают TAE Technologies.
Одним из инвесторов компании, по утверждению Forbes, является РОСНАНО, что подтверждает список совета директоров компании, в который входит Анатолий Чубайс. Кроме того, в TAE Technologies вложились Пол Аллен, соучредитель Miscrosoft, и банк Goldman Sachs. С 2014 года TAE Technologies сотрудничает с Google: в подборе параметров для экспериментов физикам помогает искусственный интеллект.
TAE Technologies надеются сделать прототип реактора в 2020-х годах. Канадская компания General Fusion называет похожие сроки: она обещает, что прототип реактора заработает уже через 3−5 лет. Для их технологии термоядерного синтеза не нужны дорогостоящие сверхпроводящие магниты, без которых не были бы возможны токамаки и стеллараторы или мощные лазеры, как в проекте National Ignition Facility.
В реакторе General Fusion жидкий металл разгоняется и закручивается в сферической камере. В образовавшуюся воронку с обоих концов впрыскивается дейтерий-тритиевая плазма. Посредине ее удерживает магнитное поле, а 200 пневматических поршней пускают по расплавленному металлу акустические волны, которые схлопывают воронку. Из-за сжатия плазма нагревается до 150 миллионов градусов, что запускает термоядерную реакцию.
Один из инвесторов General Fusion — Джефф Безос, основатель интернет-магазина Amazon и аэрокосмической компании Blue Origin.
Среди других частных компаний можно отметить Helion Energy: она обещает рабочий прототип термоядерного реактора через шесть лет.
Реактор в гараже
Наконец, в новостях то и дело можно услышать что-нибудь вроде: «Школьник собрал термоядерный реактор в 13 лет!» или «Любители сделали термоядерный реактор в гараже» и подобные. В таких случаях речь идет о фузорах Фарнсуорта-Хирша. Топливо в фузоре ионизируется напряжением между двух металлических сеток в вакуумной камере, положительно заряженные ионы ускоряются, и при их столкновении в центре камеры между ними может проходить реакция термоядерного синтеза.
«Термоядерный реактор своими руками» — звучит круто, но в плане производства энергии толку от фузоров нет, хотя в практическом смысле они могут использоваться как источники нейтронов.
Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.
«Ядерные технологии» — один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.
Екатерина Боровикова