Перспективы термоядерной электростанции в США становятся более определенными

Одна концепция экспериментальной установки термоядерного синтеза от Массачусетского технологического института

Одна концепция экспериментальной установки термоядерного синтеза от Массачусетского технологического института

Планы строительства прототипа термоядерной электростанции в Соединенных Штатах получили более пристальное внимание, поскольку в новом докладе излагаются приблизительные сроки создания многомиллиардной электростанции и ее проектная стратегия. Согласно отчету, опубликованному на этой неделе Национальной академией наук, техники и медицины (NASEM), Соединенные Штаты должны стремиться начать строительство пилотного проекта к 2035 году и запустить его к 2040 году. Чтобы уложиться в этот жесткий график, в докладе содержится призыв к Министерству энергетики США (DOE) помочь финансировать две-четыре команды, которые будут сотрудничать с частным сектором для разработки различных концептуальных проектов к 2028 году.

“Это правдоподобно и выполнимо”, – говорит Уильям Мадиа, почетный вице-президент Стэнфордского университета, который часто критиковал усилия Министерства энергетики по термоядерному синтезу. Однако Эдвин Лайман, директор по ядерной безопасности Союза заинтересованных ученых, отмечает, что доклад также указывает на многочисленные ключевые технологии, которые находятся в неполной технической готовности, и вопрос заключается в том, могут ли они быть разработаны вовремя. “Читая между строк, я не чувствовал, что это дает нам большую уверенность в том, что эти графики реалистичны”, – говорит Лайман.

График, предложенный в 91-страничном отчете, опубликованном 17 февраля, не отражает восходящую оценку того, сколько времени потребуется для завершения работ по конкретному проекту. Скорее, он представляет собой оценку того , когда термоядерная энергия должна стать реальностью, по мере продвижения безуглеродной энергетики до 2050 году, говорит ядерный инженер из Университета Теннесси в Ноксвилле и один из 12 авторов доклада. Мадия предсказывает, что если термоядерный синтез не будет возможен к 2035 году, он “пропустит поезд” и будет исключен из будущего безуглеродного энергетического баланса.

Среди американских исследователей термоядерного синтеза растет энтузиазм по поводу создания прототипа электростанции, которая, наконец, будет использовать ядерный синтез – процесс, который использует солнце – для выработки электроэнергии. Идея возникла в 2018 году в другом докладе NASEM, в котором предлагалось, чтобы Соединенные Штаты придерживались своих обязательств по ITER, гигантскому международному термоядерному эксперименту, строящемуся во Франции, но также готовились в ближайшее время построить собственную экспериментальную установку. В декабре 2020 года американские исследователи термоядерного синтеза включили экспериментальную установку в свой новый долгосрочный план.

Используя интенсивные магнитные поля, ИТЭР улавливает плазму дейтерия и трития – тяжелых изотопов водорода в вакуумной камере в форме пончика, нагретой до 150 миллионов градусов Цельсия. Эксперимент направлен на то, чтобы показать, что слияние ядер дейтерия и трития может производить больше энергии, чем потребляет генерация плазмы. Экспериментальная установка пойдет еще дальше и будет вырабатывать полезное количество электроэнергии.

Сторонники этого предложения говорят, что строительство экспериментальной установки позволит американским исследователям обойти конкурентов в Европе и Азии и вернуть себе лидерство в исследованиях термоядерного синтеза. Более того, по их словам, благодаря недавним достижениям в области высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, 3D-печати и компьютерного моделирования установка может быть намного меньше и дешевле, чем ИТЭР, который имеет высоту 30 метров и обойдется более чем в 20 миллиардов долларов.

Экспериментальная установка будет не очень мощной. Новый отчет предусматривает, что он будет производить всего 50 мегаватт электроэнергии, что составляет несколько процентов от того, что может производить большая газовая установка. “Этого достаточно, чтобы увидеть, как такая установка будет взаимодействовать со всем вспомогательным оборудованием”, – сказал Дэвид Руп, инженер компании DWR Associates LLC и автор нового отчета. “Это значение, не менее 50 мегаватт, позволяет проверить вашу способность передавать электроэнергию в сеть”, – говорит он. В докладе говорится, что пилотная установка должна стоить не более 5 или 6 миллиардов долларов. Именно такую сумму, по его оценкам, реально инвестировать в первый коммерческий блок, который будет вырабатывать сотни мегаватт электроэнергии.

В докладе говорится, что существует несколько основных технологических проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем строить какую-либо пилотную установку. Например, если установка работает как ИТЭР и сочетает дейтерий и тритий (есть несколько других возможностей), исследователи также должны разработать способ получения большего количества трития в специально созданном “одеяле” из материала, окружающего реактор. В противном случае завод мог бы быстро израсходовать весь мировой запас трития, который поступает только из определенных ядерных реакторов. Если “одеяло” содержит литий, нейтроны расщепят некоторые из этих ядер, чтобы образовать больше трития. Но тритий – это высокорегулируемое радиоактивное вещество, с которым трудно обращаться, и Лайман задается вопросом, можно ли создать такую замкнутую систему к 2035 году.

Споры о сроках отражают напряженность в связи с появлением новых частных термоядерных компаний, которые, как ожидается, будут сотрудничать с ДОУ для разработки идей, которые у них уже есть. Некоторые стартапы вызвали интерес у миллиардеров. Например, Билл Гейтс поддерживает Commonwealth Fusion Systems, которая фокусируется на магнитных катушках из высокотемпературных сверхпроводников, а Джефф Безос поддерживает General Fusion, который использует механические насосы для сжатия и нагрева плазмы. Эти частные инвестиции – ключевая причина, по которой Мадия говорит, что он с оптимизмом смотрит на пилотную установку. “Когда в дело вовлечены такие люди, как Билл Гейтс и Джефф Безос, они делают интересные вещи”, – говорит он.

Но фьюжн – стартапы обещают больше, чем могут дать, говорит Лайман. Он опасается, что инвесторы, знакомые с высокотехнологичной экономикой, в которой неудача не может быть фатальной, могут занять столь же рискованную позицию в отношении капиталоемких энергетических исследований, которые гораздо менее снисходительны. “Они думают, что могут просто иметь идею и разбогатеть на ней, но на самом деле она не реализуема”, – говорит Лайман. Разработка термоядерного реактора – это не то, что вы можете сделать в своем гараже, поэтому вы должны быть осторожны с этим мышлением. Лайман также предупреждает, что термоядерные стартапы просят Комиссию по ядерному регулированию ослабить требования безопасности, что, по его мнению, неоправданно.

Тем не менее, по словам Стивена Коули, директора Принстонской лаборатории физики плазмы, лаборатории термоядерного синтеза Министерства энергетики США, призыв к государственно-частным группам разработать различные концепции был бы очень полезен. “США должны иметь свою собственную версию разработки термоядерного реактора, чтобы увидеть, что это такое и насколько мы близки к цели”, – говорит Коули.

Читайте также: