Про термоядерный синтез шутят, что до его реализации всегда остается 30 лет, но ситуация как будто меняется. Тут как с искусственным интеллектом или электромобилями: после долгих обещаний пазл, наконец, начинает складываться. Среди исследователей уже сложился консенсус, что задача термоядерного синтеза из научной перешла в инженерную плоскость, и сейчас идет гонка вооружений между примерно 70 проектами с очень разными концепциями: токамаки, стеллараторы, мощные лазеры и так далее. Но я слежу за другой разработкой, которая выглядит самой близкой к реализации — это реактор американской компании Helion Energy. Они построили уже седьмой работающий прототип установки, достигли стабильной температуры реакции 100 миллионов градусов и сейчас работают уже над практической задачей получения, собственно, электроэнергии. Промышленный запуск запланирован на 2028 год: первым запитают дата-центр Microsoft. Наверняка время еще не раз сместится, но в целом это не принципиально, когда речь о настолько масштабной технологии.
Вкратце напомню, что термоядерный синтез сулит доступ к почти неисчерпаемой энергии. Например, при синтезе гелия из одного килограмма тяжелого водорода (дейтерия) получается энергия, эквивалентная сжиганию 20 тысяч тонн угля. Есть много тонкостей и разных оговорок, но в целом это очень заманчивый путь. Проблемой всегда была температура процесса в миллионы градусов, способная расплавить и испарить абсолютно любой конструкционный материал. Решение известно давно — удерживать плазму супермощными магнитами. Например, в токамаках они располагаются вдоль тороидальной камеры, в стеллараторах форма сложнее, но суть примерно такая же. Однако плазма капризна, как сигаретный дым. Она все время теряет стабильность и расползается, куда не надо, прожигая стенки аппарата.
Реактор компании Helion и не пытается удерживать плазму долго. Он импульсный, то есть работает короткими вспышками. Внешне реактор похож на лежащие на боку песочные часы с двумя камерами, левой и правой. В камеры подают топливо, которое сначала превращается в холодную плазму — всего миллион градусов Цельсия (это не шутка, просто по меркам термояда миллион градусов — это прохладно). Плазму удерживают в виде бубликов магнитным полем (по научному — конфигурация с обращенным полем), а затем разгоняют бублики навстречу друг другу. Они сталкиваются в центре, разогреваясь еще сильнее, и в этот момент магнитное поле резкое усиливается, приводя к скачку температуры до 100 млн градусов, при которой происходит синтез с мощным выбросом энергии.
Пожалуй, самая гениальная часть реактора — в способе извлечения этой энергии. Например, классическая АЭС работает отчасти по принципам XIX века: получаемое в результате ядерного деления тепло нагревает воду, которая затем вращает паровые турбины. С одной стороны вроде хайтек, с другой — старые добрые тепловые машины, прям как на угольных ТЭЦ. С термоядерным синтезом подобное реализовать сложнее, слишком высоки температуры, да и смысла вроде бы нет. Поэтому в реакторе Helion получается сразу электричество: когда происходит выброс энергии, плазма начинает обратное воздействие на магнитное поле, а в катушках возникает ток, который можно использовать. Это на порядок упрощает задачу съема энергии. Любопытно, что физики Helion, объясняя в деталях цикл реактора, прибегают к формулам для расчета циклов Дизеля и Отто (бензиновых моторов). Они оперируют понятиями изохорный и изобарный процессы, так что бывший ДВСник во мне пускает слезы умиления. Принцип работы действительно чем-то похож: есть такт наполнения, сжатия, сгорания, расширения.
Реакторы Helion за счет импульсной природы хорошо поддаются регулированию: изменить мощность можно за счет частоты, а если что-то пошло не так — остановить процесс. Это еще одно выгодное отличие от ядерных реакторов деления: процесс не является самоподдерживающимся и прекращается при отключении реактора. И даже в случае аварии последствия не настолько чудовищны: по сути, в каждом цикле масса радиоактивных компонентов невелика, и если вдруг случится разгерметизация, последствия коснутся, скорее, персонала станции.
Топливом для Helion служит дейтерий и гелий-3. Оба безопасны и не радиоактивны (стабильны). Первый распространен в природе и есть в банальной морской воде. С гелием-3 сложнее, и его планируют получать на самих реакторах из того же дейтерия (но есть и другие процессы, например, извлечение из природного газа). В результате термоядерного синтеза получается стабильный гелий-4, тритий, а также потоки протонов и нейтронов. С гелием проблем нет, он инертен и безопасен. С протонов собирают энергию за счет их воздействия на магнитное поле, и тем самым замедляют. Экологическую опасность представляют тритий и поток нейтронов. Но тритий хорошо известен, у него небольшой по меркам радиоактивных веществ период полураспада (12 лет) и на выходе получается все тот же гелий-3, позволяя замкнуть цикл полностью. Что касается нейтронного излучения, оно само по себе опасно, но способы его блокировки хорошо известны: бетон, бор, бериллий, графит и так далее. В общем, это давно решенная задача.
Главная проблема сейчас — доказать эффективность такого реактор. Helion идет постепенно: на первых прототипах исследовалась устойчивость процессов и отлаживались отдельные компоненты. Сейчас построен седьмой реактор Polaris, задача которого выйти на режимы избытка энергии: чтобы получаемая работа была выше затрачиваемой. Несмотря на огромную энергию, которая выделяется при термоядерном синтезе, затраты на нагрев плазмы до 100 миллионов градусов тоже велики, и все прочие термоядерные реакторы пока работают в минус. Теоретически, конечно, должен быть плюс, но дальше начинается множество инженерных ограничений, потерь, неэффективностей, которые пытаются устранить разработчики. По идее, в этом году мы должны узнать, дает ли Polaris энергетический профит.
Реактор имеет длину 19 метров и работает с частотой 60 импульсов в секунду, чтобы сразу давать ток бытовой частоты (в США она 60 Гц вместо наших 50 Гц). Его теоретическая мощность 50 МВт и такой же должна быть мощность первого промышленного образца в 2028 году. Это немного: примерно 5% от электрической мощности реактора РБМК-1000, который рванул в Чернобыле (вся станция имела 4 таких реактора). То есть пока речь о мини-установке, которая может запитать, условно, 4-5 тысяч домохозяйств. Но реактор Helion масштабируемый, так что при положительном балансе добиться нужной мощности, скорее всего, будет несложно.
Вопрос в другом: будет ли термоядерная энергия доступной? Сама установка не то чтобы очень сложна, но в ней много высокотехнологичных компонентов: сверхпроводники, суперконденсаторы, мощные магниты, силовая электроника. Сами создатели Helion рассчитывают в перспективе выйти на стоимость 1 цент за кВт*ч (то есть рубль за кВт*ч). Это очень заманчивая цена, так что, как говорится, нейтронный ветер в паруса.
Успехи есть не только у Helion, например, с мертвой точки сдвинулось развитие стеллараторов (но те настолько сложны, что даже не буду пытаться их объяснить). Со временем перехватить лидерство в термояде может и другая технология. Подход Helion нравится мне прагматизмом: они не столько работают на фундаментальную науку, сколько стремятся достичь быстрого и реального результата.
Освоение термоядерного синтеза решает сразу десятки проблем традиционной энергетики: ТЭЦ генерируют выбросы, солнце-/ветрогенераторы сложны в установке, у АЭС не решена проблема радиоактивных отходов (кстати, в термоядерных реакторах можно дожигать особенно «упрямые» компоненты РАО). А потребности в электричестве у человечества растут, и помимо общего развития есть три новые причины: электромобили, криптовалюты и искусственный интеллект. Так что термояд выглядит настоящим спасением, и хотя до его внедрения еще годы и годы, есть и осторожный оптимизм. Действительно вдохновляющая работа, а не эти ваши танчики.