Анна Теплицкая

Как «миниатюрные солнца» могут обеспечить дешевую, чистую энергию

Мы находимся всего в пяти годах от использования почти неограниченной мощности "миниатюрных солнц", как утверждают некоторые стартапы: ядерные реакторы смогут обеспечить обильную, дешевую и чистую энергию.

Как «миниатюрные солнца» могут обеспечить дешевую, чистую энергию
Cолнце – огромный термоядерный реактор. Можем ли мы подражать его энергетическому процессу на Земле? © VideoBlocks

В мире глобального потепления, вызванного нашей зависимостью от ископаемого топлива, существует настоятельная необходимость найти устойчивые альтернативные источники энергии.

Если мы этого не сделаем, будущее будет выглядеть мрачно для миллионов людей на этой планете: нехватка воды и продовольствия, ведущие к голоду и войнам.

Ядерный синтез уже давно известен как потенциальный ответ на наши молитвы. Но он всегда был где-то за пределами «тридцати лет», согласно отраслевой шутке.

Теперь несколько стартапов говорят, что они могут сделать реакцию слияния коммерческой реальностью намного раньше.

Что такое ядерное слияние?

Ядерный синтез — это слияние атомных ядер, с целью высвобождения энергии, и у него есть потенциал для решения энергетического кризиса.

Это тот же самый процесс, который генерируется солнцем, и он чист и относительно безопасен. Выбросов нет.

Но слияние изотопов водорода — дейтерия и трития, — под огромным давлением потребляет огромное количество энергии — больше, чем удавалось произвести до сих пор.

Это момент "SpaceX" для слияния, — говорит Кристофер Маури, исполнительный директор General Fusion, канадской компании, стремящейся продемонстрировать слияние в коммерческих масштабах в течение следующих пяти лет. — Это тот момент, когда развитие науки сочетается с появлением технологий, таких как производство присадок и высокотемпературных сверхпроводников.
Ядерный синтез производит огромное количество энергии, но его трудно достичь и контролировать © BBC
Ядерный синтез производит огромное количество энергии, но его трудно достичь и контролировать © BBC
Ждать "30 лет" больше не придется.Основная задача, лежащая в основе этой идеи, доказана, –говорит Уэйд Эллисон, почетный профессор физики в Keble College, Оксфорд. — Задача более практична. В сроках мы не можем быть уверены, но основная проблема решена, и она связана с материалами.

Почему это так сложно?

Установка токамак нагревает водород (обычно изотоп дейтерия) до высоких температур, пока он не превратится в плазму. Затем магнитные поля сжимают плазму внутри тороидальной внутренней камеры реактора. Молекулы начинают сливаться и выделять энергию. Тем не менее, все реакторы токамака до сих пор потребляли больше энергии, чем создавали.

Главная проблема заключается в том, как создать достаточно прочную структуру, чтобы держать плазму – очень высокотемпературный ядерный "суп", в котором происходят реакции слияния, — под огромным давлением.

Выхлопные системы должны выдерживать уровни тепла и мощности, схожие с теми, которые испытывает космический корабль, возвращающийся на орбиту, — говорит профессор Ян Чэпмен, исполнительный директор британского агентства атомной энергии (UKAEA).

Также понадобятся роботизированные системы технического обслуживания, а также системы разведения, восстановления и хранения топлива.

UKAEA изучает все эти вопросы и строит новые исследовательские объекты в Научном центре Culham около Оксфорда, – говорит профессор Чэпмен.

Так что же изменилось?

Некоторые частные энергетические компании считают, что быстрее преодолеют эти практические задачи за счет использования новых материалов и технологий.

Исследователи в оксфордской компании Tokamak Energy работают на сферических токамаках или реакторах, в которых высокотемпературные сверхпроводники (HTS) содержат плазму в очень сильном магнитном поле.

Плазменное свечение в последнем реакторе ядерного синтеза Tokamak Energy © Tokamak Energy
Плазменное свечение в последнем реакторе ядерного синтеза Tokamak Energy © Tokamak Energy
Сферический токамак гораздо более эффективен, и мы можем значительно улучшить компактность. А поскольку он меньше, он будет требовать меньше затрат. Мы ожидаем, что к 2022 году сможем получить энергию и будем поставлять ее в сеть к 2030 году, — говорит СЕО компании Джонатан Карлинг.

До сих пор компания построила три токамака. В июне этого года температура плазмы достигала более 15 миллионов C — это горячее, чем солнечное ядро. Компания надеется, что к следующему лету удастся достичь 100 миллионов градусов по Цельсию.

В 6 раз горячее солнца

Такой подвиг уже совершили китайские ученые с помощью экспериментального сверхпроводящего токомака (EAST). Они смогли нагреть внутреннюю плазму реактора до 100 миллионов градусов Цельсия (212 миллионов Фаренгейта). Это в шесть раз горячее, чем солнце, но температура держалась около 10 секунд и не дала выработки электроэнергии.

В звездах водород сливается с гелием, и, наконец, с более тяжелыми элементами. Процесс слияния высвобождает большое количество энергии, а побочные продукты не являются радиоактивными. Единственной ядерной энергией, которую пока удалось использовать на Земле, является расщепление, которое требует опасных радиоактивных материалов и сопряжено с риском разрушения реактора.

Внутренняя камера и магниты EAST © extremetech.com
Внутренняя камера и магниты EAST © extremetech.com

Институт физической науки Хэфэй в Китайской академии наук активировал реактор в 2006 году как способ проведения экспериментов по слиянию. В последнем эксперименте исследователи объединили четыре разных метода нагрева, чтобы достичь 100 миллионов по Цельсию: более низкое гибридное волновое нагревание, электронное циклотронное нагревание, ионный циклотронный резонансный нагрев и нагрев ионов нейтрального пучка. Благодаря этому слияние внутри реактора началось успешно, но оно, как обычно, не создавало чистой положительной энергии. Максимальная температура удержалась около 10 секунд.

Этот последний эксперимент EAST состоял не только в том, чтобы "победить" солнце в его собственной игре. Команда использовала высокотемпературный эксперимент для изучения поведения плазмы при таких высоких температурах. Это может помочь улучшить будущие конструкции реактора.

Какие еще варианты?

Команда в Массачусетском технологическом институте находится в процессе строительства реактора токамака Sparc с магнитными полями, содержащими горячую плазму, который, по их утверждению, будет генерировать энергию в ближайшие несколько лет.

Финансируемая частично компанией Breakthrough Energy Ventures, фондом, возглавляемым Биллом Гейтсом, Джеффом Безосом, Майклом Блумбергом и другими миллиардерами, команда надеется разработать реакторы слияния, достаточно маленькие, чтобы быть построенными на заводах и собираться прямо на месте.

Эти частные предприятия бросают вызов флагманскому международному проекту по слиянию Iter (Международный термоядерный экспериментальный реактор), в котором участвуют 35 стран.

Iter, что также означает "путь" на латыни, строит крупнейший экспериментальный объект термоядерного синтеза в мире, но он ожидаемо не начнет работать до 2025 года.

Реактор ядерного синтеза Iter не будет завершен до 2025 года © Getty
Реактор ядерного синтеза Iter не будет завершен до 2025 года © Getty
Различные члены Iter имеют разный уровень понимания сроков использования ядерного слияния как части будущего чистой энергии, – сообщает представитель BBC. — Некоторые явно ожидают, что это произойдет к 2050 году, а для других "дорожная карта" отодвигается ко второй половине этого столетия.

Коммерческие компании считают, что могут сделать это быстрее и лучше.

С новой магнитной технологией HTS устройство для слияния может быть намного меньше — Sparc будет составлять около 1/64 объема и массы Iter, — говорит Мартин Гринвальд, заместитель директора лаборатории плазмы и центра термоядерного синтеза MIT. — Меньший размер означает более низкие затраты, оставляя поле слияния открытым для более мелких, более гибких компаний.

Но все стороны, похоже, согласны с тем, что работа Iter, Culham и частного сектора является взаимодополняющей.

В конце концов, у всех нас есть одна мечта — электричество, генерируемое слиянием, в качестве будущего чистой энергии, – говорит пресс-секретарь Iter.

Источник: BBC, ExtremeTech