Под искусственным солнцем

Почему растут вложения в термоядерную энергетику

 

Власти развитых стран вновь обратили внимание на термоядерные технологии, необходимые для создания практически безграничного зеленого источника электроэнергии. За прошлый год объем вложений только в частную термоядерную индустрию вырос на $1,4 млрд, до $6,21 млрд. В РФ затраты на прототип первого опытно-промышленного термоядерного реактора оцениваются в более 130 млрд руб. “Ъ” разбирался в перспективах инвестиций в технологию.

Энергетический кризис, с которым мир столкнулся два года назад, заставил власти развитых стран вернуться к идее создания «бесконечного» источника энергии — термоядерного реактора. В 2023 году Германия, Япония, Великобритания и ряд других стран запустили новые программы поддержки отрасли термоядерных технологий. А власти США утвердили на 2024 год рекордный объем финансирования в размере $1,5 млрд.

В Fusion Industry Association (FIA) считают, что в отрасли термоядерных разработок происходит «технологический взрыв». Количество термоядерных стартапов за год выросло на треть, до 43 штук, более половины расположены в США, говорится в отчете FIA. Объем вложений в частную термоядерную индустрию за 2023 год увеличился на $1,4 млрд, до $6,21 млрд. Среди инвесторов — Eni, Chevron, Equinor и Mitsubishi, Билл Гейтс, Джефф Безос и Джон Доер. Инвестиции в стартапы со стороны государств удвоились до $271 млн.

 

Между лазером и токамаком

Термоядерный синтез — это слияние двух легких атомных ядер, в результате чего выделяется огромное количество энергии. Ученые, как правило, объединяют два атома водорода — дейтерий и тритий. Такая реакция протекает в звездах, но в земных условиях запустить и удержать ее крайне сложно. Для синтеза нужно разогреть ядра до чрезвычайно высоких температур (свыше 100 млн градусов) в ограниченном пространстве. Ученые за более чем 80 лет исследований научились создавать высокотемпературную плазму в лабораторных условиях, но удержать её удается лишь на срок менее одной минуты.

Сейчас в 26 странах, по данным МАГАТЭ, существуют 99 работающих термоядерных экспериментальных установок, большая часть из которых в Японии, США, России и Китае. Наиболее известные и успешные действующие аппараты — KSTAR в Южной Корее, EAST в Китае, JT-60U в Японии. Строятся 13 установок, еще 33 — планируются. Большинство термоядерных аппаратов принадлежит государствам. Но в мире работает 9 частных установок, еще 4 — строятся, а 14 — на стадии планирования.

В мире конкурируют два типа конструкций: токамаки и стеллараторы с большими магнитами для удержания горячей плазмы и установки с использованием мощных лазеров для нагрева топлива. Сейчас львиная доля работающих установок в мире — токамаки. Лазерные установки активно развивают США и Япония. В России, как говорят источники “Ъ”, делают ставку на развитие токамака как модели «наиболее успешной и подходящей для энергетических задач».

Половина частных компаний, опрошенных FIA, рассчитывают начать производство термоядерных киловатт-часов в середине 2030-х годов. Но пока в такие оптимистичные прогнозы верится с трудом. До сих пор за все время испытаний ни на одной установке в мире не удалось достичь показателей, необходимых для перехода к строительству демонстрационных реакторов с выдачей электроэнергии в сеть. В частности, ученые по-прежнему тратят на разогрев плазмы больше энергии, чем получают в результате слияния ядер.

Постоянно откладывается и запуск самого крупного и известного в мире экспериментального токамака ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Строительство объекта на юге Франции началось в 2010 году, сборка деталей — в 2020 году. Недавно в ITER признали, что запуск не произойдет в 2025 году, как планировалось, а бюджет придется пересматривать. Исходно предполагалось, что ITER будет стоить около $5 млрд, но бюджет уже превысил $22 млрд.

Члены ITER — Россия, Китай, США, Южная Корея, Индия, Япония и ЕС (через Euratom, регулятора атомной отрасли в ЕС). ЕС несет большую часть затрат на стройку (45,6%), а остальные участники — по 9,1%, но взносы в проект происходят в основном за счет производства деталей. Власти Великобритании, чье членство в Euratom завершилось после выхода из ЕС, думают покинуть проект, чтобы потратить свой взнос в размере $749 млн на конкурирующий прототип токамака, писал Bloomberg. Очевидно, британские власти потеряли веру в успешность этого долгостроя, полагают опрошенные “Ъ” эксперты.

 

Россия возвращается в гонку

Самые громкие и яркие научные термоядерные открытия в России происходили во времена Советского Союза. После развала СССР отрасль переживала трудные времена, поскольку остановилось финансирование исследований. По данным МАГАТЭ, сейчас в РФ работают шесть токамаков. Установки расположены в Курчатовском институте, в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, санкт-петербургском Физико-техническом институте имени Иоффе, Санкт-Петербургском госуниверситете. Еще три экспериментальные магнитные ловушки находятся в Институте ядерной физики имени Будкера СО РАН.

Самая современная установка — токамак Курчатовского института Т-15МД, запущенный весной 2021 года. Одновременно стартовала реализация федерального проекта по развитию термоядерного синтеза в рамках комплексной программы «Развитие техники и технологии научных исследований в области атомной энергии». Со старта программы в 2021 году по 2023 год из бюджета на развитие проекта выдано около 78 млрд руб. субсидий, собственных средств «Росатома» вложено около 300 млрд руб., сообщили “Ъ” в госкорпорации. Там обсуждают с правительством экономические параметры продолжения проекта до 2030 года.

Продолжение финансирования необходимо в том числе для строительства токамака с реакторными технологиями (ТРТ) в Троицке. ТРТ станет прототипом первого российского опытно-промышленного термоядерного реактора. Плазма в ТРТ сможет разогреваться до 150 млн градусов, говорят в «Росатоме». Стоимость проекта, по данным “Ъ”, может превысить 130 млрд руб.

.

 

Неопределенные промышленные перспективы

Причина медленного развития термоядерных технологий — слабое финансирование отрасли, утверждают опрошенные “Ъ” эксперты. Директор аналитического направления центра «Энерджинет» Игорь Чаусов указывает, что за 2023 год в разные сферы низкоуглеродной энергетики — от ВИЭ до электротранспорта — в мире вложено почти $1,8 трлн. На инвестиции в частную индустрию термоядерных технологий приходится менее 1% от этой суммы, этого недостаточно для новой сферы на стадии исследований и экспериментов, подчеркивает эксперт.

Пока аналитики и государства не рассматривают термоядерные реакторы как возможный реальный источник энергии в ближайшем будущем, в том числе из-за невозможности оценить экономическую эффективность такой установки. В ближайшие четверть века человечество будет использовать уже отработанные технологии. По прогнозу «Яков и партнеры», к 2050 году мощность ветряных и солнечных станций вырастет почти втрое, а доля ископаемых источников все еще будет превышать 50%. На первый план выйдут вопрос интеграции источников энергии в общую электросеть, а также развитие технологий хранения энергии и повышение энергоэффективности.

Термоядерная энергетика остается «научно-исследовательским направлением с неопределенными промышленными перспективами», считает Сергей Роженко из Kept. По его мнению, технология имеет «существенно более неопределенные» коммерческие перспективы, чем даже водородная энергетика: «Термоядерная энергетика может повторить судьбу ряда других энергетических технологий, так и не вышедших из лабораторий. Объем инвестиций в отрасль тому подтверждение: $6 млрд — это стоимость дорогой лаборатории, но даже близко не промышленной установки». Так, уточняет господин Роженко, общий объем вложений в частный сектор термоядерных технологий — это примерно четверть стоимости строительства АЭС в Египте (4,8 ГВт) на отработанной технологии ВВЭР-1200.

 

Драйвер развития

Несмотря на активное участие в термоядерных исследованиях, энергетика России, по мнению, собеседников “Ъ”, еще долго не будет нуждаться в принципиально новых источниках электроэнергии. Партнер «Яков и партнеры» Антон Порядин считает, что структура энергобаланса РФ в ближайшем будущем сильно не изменится. По его прогнозам, доля природных ископаемых может снизиться с 85% до 75%, атомной генерации — вырасти за счет станций малой мощности, а солнечная и ветряная энергетика будут развиваться в удаленных регионах с благоприятным климатом. Газ надолго останется основным источником энергии, добавляет эксперт.

Единственная необходимость развития термоядерной энергетики в России — поддержка этой области науки, полагает Игорь Чаусов. РФ обладает немалым заделом по многим критически важным для термоядерной энергетики технологиям, в том числе сверхпроводникам и новым материалам, сложным приборам и датчикам, что позволяет рассматривать термоядерную энергетику как сферу, в которой Россия может претендовать на технологическое лидерство в конце XXI—начале XXII века.

Концепция использования «бесконечной и бесплатной» энергии термоядерного синтеза выглядит привлекательно, говорит Сергей Роженко. Однако есть вероятность, что человечество никогда не сможет решить проблемы термоядерных технологий, одна из которых состоит в отсутствии материалов, способных удерживать высокотемпературную плазму и выдерживать длительную бомбардировку нейтронами. Без принципиального прорыва в физике, по его мнению, вряд ли стоит надеяться на запуск термоядерного реактора.

 

Опубликовано: Полина Смертина, “КоммерсантЪ” 

 

В классификации Минобрнауки РФ к мегасайенс-проектам (от англ. megascience — «меганаука») относят крупные дорогостоящие международные научные и исследовательские комплексы

(...)

Один из таких проектов в атомной энергетике — Многоцелевой исследовательский реактор на быстрых нейтронах (МБИР) четвертого поколения, сооружаемый «Росатомом» в рамках комплексной программы РТТН, рассказывает директор международных научно-технических проектов госкорпорации «Росатом», генеральный директор компании ООО «Лидер Консорциума «МЦИ МБИР» Василий Константинов. Стройплощадка проекта расположена на базе Научно-исследовательского института атомных реакторов (ГНЦ НИИАР, входит в «Росатом») в Димитровграде Ульяновской области.

Как отмечает директор ГНЦ НИИАР Александр Тузов, возведение реакторного комплекса МБИР — важный шаг к обеспечению отечественной атомной отрасли современной исследовательской инфраструктурой на несколько десятков лет вперед. «На МБИР будут проводить эксперименты не только в интересах атомной энергетики, но и для всех остальных отраслей, где используются ядерные технологии — от медицины до космоса», — отмечает руководитель.

МБИР поможет обеспечить разработку и верификацию технологий «новой ядерной энергетики» и «низкоуглеродного развития», нарабатывать изотопы и исследовать сложные материалы для промышленности и медицины. «Росатом» строит реактор нового поколения, который не будет оставлять после себя отработавшее топливо, а будет использовать его повторно. Для повторного использования ядерного топлива нужны сотни сложных испытаний, которые и могут быть проведены на МБИР. Это удивительный проект, и ничего подобного в мире еще нет», — комментирует заместитель директора по сооружаемым объектам ГНЦ НИИАР Сергей Киверов.

Научная программа МБИР формировалась совместными усилиями специалистов «Росатома» и Курчатовского института. В перечень перспективных направлений, например, включены петлевые испытания по направлениям жидкосолевых реакторов и реакторов с жидкометаллическим и газовым теплоносителями, а также другие работы, связанные с новыми проектами. На этапе сооружения МБИР также формируется международный центр исследований. Он задумывался как мировой центр компетенций для атомной отрасли. По словам Василия Константинова, один из ключевых проектов «Росатома» будет доступен для зарубежных специалистов с возможностью проведения экспериментов, необходимых для национальных и совместных программ развития атомной энергии в мирных целях, без необходимости непосредственного владения реакторной установкой и соответствующих обязательств по обеспечению ее безопасной работы, а также контролю и учету ядерных материалов.

 

По данным разработчиков из НИЦ «Курчатовский институт», на площадке Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова действует мегаустановка ПИК — пучковый исследовательский корпусной реактор. Его основное назначение — производство пучков нейтронов низкой энергии с максимальной плотностью нейтронного потока. Этим он принципиально отличается от источников быстрых нейтронов, таких как МБИР, поэтому ПИК и МБИР дополняют друг друга в решении разнообразных исследовательских задач.

Атомщики утверждают, что создаваемый на ПИК приборный комплекс способен обеспечить всю палитру исследований с нейтронами: от фундаментальных до сугубо прикладных. В настоящее время на основе ПИК по поручению президента РФ организован международный исследовательский центр. Кроме России в нем участвуют Белоруссия, Узбекистан, Иран, Таджикистан. Идут переговоры с научными организациями Казахстана и других стран.

 

Еще одно направление международного сотрудничества в сфере мегасайенс — управляемый термоядерный синтез. Так, Институт ядерной физики (ИЯФ) им. Г.И. Будкера Сибирского отделения (СО) РАН из Новосибирска ведет переговоры с Институтом физики плазмы при Академии наук в китайском городе Хэфэй.

«У китайских коллег реализуется несколько мегасайенс-проектов в области управляемого термоядерного синтеза», — говорит заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Петр Багрянский. По его словам, порядка 20 лет работает китайский экспериментальный сверхпроводящий токамак EAST (от англ. experimental advanced superconducting tokamak — экспериментальный сверхпроводящий токамак) и готовится к запуску в 2027 году токамак BEST (от англ. burning plasma experimental superconducting tokamak — экспериментальный сверхпроводящий токамак с «горящей» плазмой). «С установками такого мегасайенс-уровня мало что может сравниться», — отмечает эксперт.

При этом, по данным НИЦ «Курчатовский институт», эпоха термоядерных исследований в Китае началась после того, как в Институт физики плазмы был поставлен созданный в конце 1970-х годов в Курчатовском институте первый в мире токамак со сверхпроводящими обмотками Т-7. Позднее именно Т-7 стал прототипом для «китайского искусственного солнца» EAST.

Еще один пример международного проекта в термоядерных исследованиях — Казахстанский материаловедческий токамак КТМ, созданный в том числе при участии специалистов «Росатома» и Курчатовского института. Соглашение о его совместном использовании в 2017 году подписали кроме Казахстана и России также Белоруссия, Армения, Киргизия и Таджикистан.

(...)

По материалам: РБК.ру

 Они способны изменить мир.

2023 год оказался насыщенным событиями в области науки, предоставив уникальные инсайты и перспективы, которые могут кардинально изменить наше представление о мире. Взглянем на самые захватывающие открытия этого года.

 

Портал "Фокус" представил список самых фантастических научных открытий.

 

1. Священный Грааль ядерной энергетики: Термоядерный синтез

 

В декабре Ливерморская национальная лаборатория в Калифорнии объявила об историческом достижении в области термоядерного синтеза. Ученые смогли создать больше энергии, чем затрачивали на запуск реакции, открывая новую эру безуглеродных источников энергии. Этот прорыв, описанный как "достижение века", открывает перспективу экологически чистых и возобновляемых источников энергии, что сравнивают с первым полетом братьев Райт.