Объяснение прорыва в энергетике ядерного синтеза

Некоторые из самых богатых инвесторов мира вложили деньги в стартапы, нацеленные на одну из самых больших и сложных задач в науке: ядерный синтез. Долгое время термоядерный синтез считался высшей наградой в поисках чистой и изобилующей энергии. Это процесс, который питает Солнце, когда сокрушительная гравитационная сила сталкивает атомы вместе и высвобождает их энергию. В конце 2022 года исследователи отметили долгожданную научную веху, ставшую признаком прогресса в области, полной неприятных технологических проблем и скептицизма в отношении ближайших перспектив.

1. Что стало важной вехой?

В декабре 2022 года ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии направили самый мощный в мире лазер на алмазную капсулу размером с горошину перца, наполненную водородом. Лучи доставили 2,05 мегаджоуля энергии, запустив реакцию, которая превратила водород в гелий и высвободила 3,15 мегаджоуля. Разница, чуть больше мегаджоуля, примерно равна количеству энергии, выделяемой ручной гранатой. Результат, известный как «зажигание» или чистый прирост энергии (что означает больше энергии на выходе, чем на входе), стал достижением, к которому ученые стремились десятилетиями. Это предполагало, что основная физика управляемого термоядерного синтеза была взломана, что открыло возможность процесса производства дешевой, безуглеродной электроэнергии. После нескольких неудачных попыток та же лаборатория смогла повторить это достижение в июле.

2. Насколько близко коммерческое слияние?

Даже несмотря на то, что правительства США и других стран продвигают смелые идеи и различные технологии, самые оптимистичные эксперты говорят, что до первой термоядерной электростанции, поставляющей электроэнергию в сеть, осталось около десяти лет. Большинство прогнозирует это через 20 или 30 лет. По мере развития науки в последние годы термоядерный синтез начал привлекать новый класс инвесторов, и в гонку включилось все больше частных компаний. Инвестиции выросли до $2,6 млрд в 2021 году с примерно $300 млн в 2020 году. В 2022 году они упали до $521 млн.

3. Какие технологии?

Исследования в области термоядерного синтеза выиграли от достижений в области суперкомпьютеров, 3D-печати и сверхпроводящих магнитов. Существуют разные подходы:

• Инерционное удержание. Декабрьское событие доказало, что этот метод — стрельба лазерами по шарикам, наполненным водородом, — может работать. Но реакция была исключительно короткой, а не тем непрерывным процессом, который обычно используют электростанции. И, по крайней мере, на данный момент, эти гранулы дороги и требуют много времени на производство.

• Магнитное удержание: более широко используемый метод использует мощные магнитные поля для удержания плазмы, электрически заряженного перегретого газа, чтобы он мог поддерживать реакцию термоядерного синтеза. Для этого требуются температуры, намного более высокие, чем на солнце, в диапазоне 150 миллионов C (270 миллионов F). В большинстве работ используется конструкция советской эпохи, известная как токамак, которая имеет переохлажденную камеру в форме пончика для хранения плазмы, или вариант, известный как стелларатор.

• Другие альтернативы: Стартапы реализуют гибридные технологии или собственные уникальные идеи. Одна из наиболее финансируемых компаний, калифорнийская TAE Technologies, использует ускорители для наполнения плазмы частицами высокой энергии, что упрощает управление.

4. Каковы препятствия?

В результате термоядерного синтеза не образуются высокоактивные ядерные отходы, в отличие от отработанных топливных стержней в результате деления атомов, альтернативной формы атомной энергии, которая использовалась в коммерческих реакторах с 1950-х годов и приводила в действие оригинальные атомные бомбы. Тем не менее, исследованиям в области термоядерного синтеза необходимо решить технические проблемы, например, как разработать материалы, способные противостоять бомбардировке атомными частицами внутри машины. Также неясно, как произведенная энергия будет использоваться и преобразовываться в электричество.

5. Кто игроки?

Есть три отдельные группы: национальные инициативы, пакет из почти трех десятков частных стартапов и Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) с участием 35 стран стоимостью 25 миллиардов долларов. Международное сотрудничество — крупнейший исследовательский проект в истории — работает над гигантской демонстрационной машиной во Франции с 2010 года. Это проект масштабов космической гонки, когда США и бывший Советский Союз соревновались в создании огромных ракет. Среди наиболее известных сторонников стартапов — основатель Amazon Джефф Безос, основатель Microsoft Билл Гейтс и Питер Тиль из Palantir. Существует мнение, что стремление к термоядерному синтезу приведет к научному прогрессу, даже если для реализации базовой технологии потребуются десятилетия.